Трансгенные животные и их значение

Введение

В наши дни трансгенные животные уже перестали быть редкостью. Сегодня границы их использования обсуждаются не только в научной литературе, но и в средствах массовой информации.

В современной биотехнологии широко используют трансгенные микроорганизмы, в геном которых введены различные гены эукариот. Трансгенные растения несут гены, обеспечивающие повышенную соле- и засухоустойчивость, устойчивость к вредителям и болезням. Но если растения с такими качествами могут быть получены и с помощью методов традиционной селекции, хотя и с большей затратой сил и времени, то трансгенные животные часто являются единственной надеждой тяжелобольных людей на получение необходимых им лекарств.

Этим и подтверждается актуальность выбранной темы.

Предметом исследования являются трансгенные животные.

Целью исследования является изучить для чего нужны трансгенные животные, это достигается путем решения следующих задач:

• изучить понятие трансгенных животных;
• изучить методы получение трансгенных животных;
• выявить для чего нужны трансгенные животные;
• проанализировать перспективы использования трансгенных животных.

В данном исследовании используются следующие методы: изучение и анализ научной литературы, сравнение различных точек зрения, а также ознакомление со статистическими данными и их анализ.

В ходе написания реферативной работы автор изучил фундаментальные научные исследования отечественных и зарубежных ученых по обозначенной теме.

Понятие трансгенных животных

К трансгенным животным относят всех животных, полученных в результате генноинженерных воздействий, они содержат в своих клетках ген чужого организма, включённый в хромосомы.

В ранних работах трансгенными животными называли только тех, которые были получены путем микроинъекции чужеродной ДНК в зиготу и которые несут чужеродный ген в составе своего генома, так как других вариантов создания трансгенов еще не было.

Однако в последнее время к этой категории относят всех животных, полученных в результате генноинженерных воздействий, в том числе животных, созданных при помощи эмбриональных стволовых клеток, и животных с выключенными генами, так называемых нокаутов. Иногда к трансгенным животным относят и тех, которые были подвергнуты соматической трансфекции, то есть которым чужеродный ген введен был непосредственно в определенный орган или ткань взрослого организма.

Трансгенные животные - это экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству.

Трансгенные животные – это отдельные особи, геном которых отличается искусственно дополненной генетической информацией. Трансген представляет собой в одном случае самостоятельный участок ДНК с собственными регуляторными последовательностями. В другом - это созданный из различных молекул ДНК-гибридный (рекомбинантный) ген.

Трансген – это введенный искусственно и закрепившийся в ДНК животного чужеродный ген. А трансгенез – это процесс интеграции и переноса в геном животного чужеродной генетической информации.

Одним из ярких примеров трансгенного животного была мышь, которая была получена в 1982 году американским ученым Р.Д. Пальмитером. Он и его коллеги опубликовали фотографию, где были изображены 2 мыши, одна из них была обычной, а другая являлась трансгенной. В ее ДНК встроили ген гормона роста крысы. Трансгенная мышь в сравнении с обычной имела в два раза большие размеры. Причиной тому была экспрессия гена гормона роста, в результате которой у мыши синтезировался соответствующий гормон, который и определил ее гигантские размеры. Такие же эксперименты проводились со свиньями, но полученные результаты были ужасающими, так как родившиеся животные имели уродства.

Среди причин создания трансгенных организмов можно обозначить следующие:

• животные с геном гормона роста в равных условиях содержания выдают повышенные темпы роста;
• для усиления иммунитета к инфекциям; для получения биологически активных веществ;
• для получения человеческого белка от трансгенных животных;
• использование животных как биореакторов для получения медпрепаратов.

Первые такие животные были получены в 1974 году в Кембридже ученым по имени Рудольф Яниш. Он в эмбрион мыши ввел ДНК-вирус обезьяны. В России первые трансгенные животные были выведены в 1982 году.

Получение трансгенных животных

Среди способов получения трансгенного животного нашли наиболее широкое применение:

• метод микроинъекции, опосредованный ретровирусами перенос генов,
• использование модифицированных эмбриональных стволовых клеток,
• перенос трансформированных ядер генеративных и соматических клеток,
• использование спермиев и сперматогониев как переносчиков ДНК^[1].

Рис.1. Схема получения трансгенных животных методом переноса ядер (верхняя часть) и микроинъекции ДНК в ядро (нижняя часть)^[2]

Рис. 2. Этапы получения трансгенных животных методом инъекции генных конструкций в зиготу: 1 – получение зигот для инъецирования (используются индуцированная гормональными инъекциями суперовуляция или оплодотворение ооцитов в культуре in vitro); 2 – введение генной конструкции (микроинъекция в пронуклеус); 3 – пересадка эмбрионов самкам-реципиентам (реципиентами выбираются животные другой породы, отличающейся по окраске шерсти и другим породным признакам); 4 – животные, рожденные из инъецированных эмбрионов: только часть из них содержит трансген. Кроме того, эти животные, как правило, являются гетерозиготами (трансген содержится только в одной из гомологичных хромосом) и мозаиками (трансген содержится не во всех клетках и тканях животного); 5 – проведение молекулярно-генетического анализа для подтверждения присутствия вводимого гена в составе генома животного; 6 – отбор животных, продуцирующих трансгенные гаметы (скрещивание трансгенных животных с животными другой породы, отличающейся по окраске шерсти и другим породным признакам, и анализ их потомства). Селекция трансгенных гомозигот: скрещивание трансгенных животных для получения гомозиготных по введенному гену потомков; 7 – получение стада трансгенных животных; 8 – выделение лекарственного белка из молока и его очистка

В отличие от растений, где существует возможность получения целого фертильного растения из одной трансформированной соматической клетки и вегетативное размножение, получение трансгенных животных - очень сложный и длительный процесс.

Используемая стратегия состоит в следующем:

• клонированный ген вводят в ядро оплодотворенной яйцеклетки;
• оплодотворенные яйцеклетки с экзогенной ДНК имплантируют в рецепиентную женскую особь (поскольку успешное завершение развития эмбриона млекопитающих в иных условиях невозможно);
• отбирают потомков, развившихся из имплантированных яйцеклеток, которые содержат клонированный ген во всех клетках;
• скрещивают животных, которые несут клонированный ген в клетках зародышевой линии, и получают новую генетическую линию.

Эксперименты по генетической модификации многоклеточных организмов путем введения в них трансгенов требуют много времени. Тем не менее, трансгеноз стал мощным инструментом для исследования молекулярных основ экспрессии генов млекопитающих и их развития, для создания модельных систем, позволяющих изучать болезни человека, а также для генетической модификации клеток молочных желез животных с целью получения с молоком важных для медицины белков^[3].

Метод введения генов в эмбриональные клетки имеет ограничения. Не всегда удается встроить чужеродную ДНК в заданный участок хромосомы. Разработанные методические примы пока не позволяют заменить имеющийся в геноме ген, вытесняя его, не всегда удается подчинить новый ген системе регуляции организма.

Другое направление - введение генов, кодирующих антисмысловую РНК. Для животноводства острой проблемой являются лейкозы, вызываемые РНК-вирусами. Трансгенные кролики, несущие гены, отвечающие за присутствие в клетке антисмысловой РНК, были устойчивы к лейкозам.

Трансгенных животных стали использовать для исследования воспалительных и иммунологических заболеваний человека, например, ревматоидного артрита. Моделируются болезни, связанные с липидным обменом.

Для чего нужны трансгенные животные?

Разработка методов генной терапии на основе изучения трансгенных животных

На первый взгляд кажется, что слова “терапия” и “трансгенные технологии” несовместимы. К любому вмешательству в геном человека нужно подходить с гораздо большей осторожностью, чем к вмешательству в геном других видов животных и растений, но существуют ситуации, когда именно такие методы могут спасти больного. Одна из таких ситуаций – раковое заболевание. Надежды на излечения больных от СПИДа также связывают с генной терапией. При этом используется соматическая трансфекция – метод, когда генетические конструкции вводятся в определенные клетки и ткани организма пациента. В 1999 году был опубликован обзор по этой тематике. Как и все другие методы лечения, генотерапевтические методы разрабатываются и проходят испытания на модельных трансгенных животных^[4].

Создание животных – генетических моделей наследственных заболеваний человека

Многие болезни имеют наследственные причины. И это касается не только моногенных заболеваний, происходящих из-за мутации в каком-нибудь одном определенном гене. Часто причиной заболевания является целый комплекс нарушений генома: присутствие аллелей, определяющих склонность к заболеванию, гиперфункция каких-либо генов из-за наличия дополнительных копий этого гена или нарушений в его регуляции и по многим другим, но генетически предопределенным причинам. К этой группе относятся большая часть заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем, многие эндокринные заболевания. Часто трудно установить конкретную причину заболевания, соотнести обнаруженные у пациента генетические дефекты с его анамнезом. В последние 10 лет для решения этих вопросов все чаще привлекаются трансгенные модели наследственных заболеваний человека.

Трансгенные животные, несущие чужеродный ген гормона роста

Такие животные отчасти уже история трансгеноза млекопитающих. После получения гигантской трансгенной мыши делались попытки в такой же мере увеличить размеры и более крупных млекопитающих, но эти работы оказались неудачными. Животные с повышенным уровнем продукции гормона роста не увеличились в размерах, но у них наблюдались разнообразные нарушения в росте и строении костей скелета, например, акромегалия. По-видимому, запас возможного увеличения размера у сельскохозяйственных животных уже был выбран предшествующей многовековой селекцией, которая велась именно на увеличение роста и веса животного. Однако эти работы сыграли свою роль для изучения функционирования чужеродного гена в организме трансгенного животного и нашли применение в создании быстрорастущих трансгенных рыб.

Перспективы использования трансгенных животных

При дальнейшем развитии трансгенных технологий возможно появление совершенно новых отраслей их использования. Многие из этих направлений кажутся совершенно фантастическими, однако именно сегодня разрабатываются стратегические подходы для этих направлений исследований и будущие возможности активно обсуждаются в научных изданиях. В основе большей части этих прогнозов – создание трансгенных животных, у которых одни гены нокаутированы, а другие, наоборот, введены в состав генома. Создание таких мультитрансгенных животных и предполагается в ближайшем будущем.

В ближайшем будущем предполагается создание таких животных, одни гены которых нокаутированы, а другие введены в состав их генома.

Получение модифицированного молока. Первый вариант – создание животных, продуцирующих молоко, по своему составу максимально приближенное к материнскому молоку человека. Для этого надо выключить несколько генов коровы и ввести в ее геном несколько генов человека. При работе с эмбриональными стволовыми клетками это выглядит вполне выполнимым – возможно, первые такие животные появятся через 10–15 лет.

Создание трансгенных животных, источников органов для пересадки человеку. Этот кажущийся совсем фантастическим проект по своей сложности примерно такой же, как и предыдущий, но гораздо более актуальный. В мире существует огромная потребность в донорских органах. Многие больные, годами надеющиеся на пересадку почки или сердца, так и не успевают дождаться своей очереди. Решением этой проблемы могла бы быть пересадка человеку органов животных. Так, например, органы свиньи подходят человеку по своему строению, размеру и многим биохимическим показателям. Но такие пересадки невозможны, так как эти органы будут немедленно отторгнуты иммунной системой пациента. Для того чтобы избежать этого, надо сконструировать трансгенную свинью, у которой нокаутированы собственные гены гистосовместимости и вместо них введены гены гистосовместимости человека. Эти гены располагаются компактно в локусах гистосовместимости, и при проведении генного нокаута можно выключить сразу несколько генов. Первые такие животные, скорее всего, тоже будут получены к концу первого десятилетия XXI века^[5].

Клонирование трансгенных животных. Создание трансгенных животных – очень трудоемкий процесс. Так, по статистике одно трансгенное животное удается получить на 40 инъецированных зигот мыши, или на 100 зигот овцы или козы, или на 1500 зигот коровы. Из этих трансгенных животных не более 50% экспрессируют трансгенный белок. При получении животных продуцентов белков человека только у некоторых особей уровень экспрессии трансгена в клетках эпителия молочной железы достаточно высок. Возможен и такой вариант – ген экспрессируется, но трансгенный белок по каким-либо причинам не выделяется в молоко. Если даже удается получить трансгенное животное, идеальное по всем параметрам, то его потомки далеко не всегда наследуют его качества.

Поэтому большой интерес биотехнологов вызывают работы по клонированию млекопитающих. Эта методика в будущем даст возможность снова и снова клонировать идеальное животное-продуцента и полностью обеспечить потребности медицины и фармакологии в необходимых человеческих белках.

Скорее всего, для трансгенных животных будут найдены и другие области применения, но уже сейчас ясно одно: в XXI веке использование трансгенных животных будет столь же распространенной технологией, как использование микроорганизмов в биотехнологических производствах конца XX века.

Заключение

Трансгенные животные – это отдельные особи, геном которых отличается искусственно дополненной генетической информацией. Трансген представляет собой в одном случае самостоятельный участок ДНК с собственными регуляторными последовательностями. В другом - это созданный из различных молекул ДНК-гибридный (рекомбинантный) ген.

Трансген – это введенный искусственно и закрепившийся в ДНК животного чужеродный ген. А трансгенез – это процесс интеграции и переноса в геном животного чужеродной генетической информации.

Таким образом, мы выяснили, что трансгенных животных стали использовать для исследования воспалительных и иммунологических заболеваний человека, например, ревматоидного артрита. Моделируются болезни, связанные с липидным обменом.

Трансгенных животных стали использовать для исследования воспалительных и иммунологических заболеваний человека, например, ревматоидного артрита. Моделируются болезни, связанные с липидным обменом.

Большой интерес биотехнологов вызывают работы по клонированию млекопитающих. Эта методика в будущем даст возможность снова и снова клонировать идеальное животное-продуцента и полностью обеспечить потребности медицины и фармакологии в необходимых человеческих белках.

Скорее всего, для трансгенных животных будут найдены и другие области применения, но уже сейчас ясно одно: в XXI веке использование трансгенных животных будет столь же распространенной технологией, как использование микроорганизмов в биотехнологических производствах конца XX века.

Список использованных источников

1. Демина, И. А. Безопасность и этика использования трансгенных животных// Актуальные вопросы зоологии, экологии и охраны природы: Материалы научно-практической конференции с международным участием, Москва, 24 апреля 2020 года. – Москва: ЗооВетКнига, 2020. – С. 41-45.
2. Демина, И. А. Этические проблемы использования трансгенных животных// Фундаментальные и прикладные науки сегодня: материалы XXII международной научно-практической конференции, North Charleston, 20–21 апреля 2020 года. – Morrisville: LuluPress,Inc., 2020. – С. 1-4.
3. Жельдыбаева, А. Х. Достижения генной инженерии// Лучшая научно-исследовательская работа 2020: сборник статей XXIX Международного научно-исследовательского конкурса, Пенза, 15 декабря 2020 года / Под общей редакцией Г.Ю. Гуляева. – Пенза: "Наука и Просвещение" (ИП Гуляев Г.Ю.), 2020. – С. 13-17.
4. Забавникова, А. Д. К вопросам получения трансгенных животных и растений// Горизонты биофармацевтики: Сборник научных трудов по материалам VI Всероссийской научно-практической конференции, Курск, 30 октября 2020 года. – Курск: Курский государственный медицинский университет, 2020. – С. 52-54.
5. Купрякова, А. А. Безопасность и этика использования трансгенных животных в научных исследованиях// Студенческая наука - взгляд в будущее: Материалы ХVI Всероссийской студенческой научной конференции, Красноярск, 24–26 марта 2021 года. – Красноярск: Красноярский государственный аграрный университет, 2021. – С. 513-515.
6. Максименко О. Г., Дейкин А. В., Ходарович Ю. М., Георгиев П. Г. Использование трансгенных животных в биотехнологии: перспективы и проблемы // Acta Naturae (русскоязычная версия). 2013. №1 (16). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-transgennyh-zhivotnyh-v-biotehnologii-perspektivy-i-problemy (дата обращения: 27.01.2022).
7. Торопова, Ю. С. Генная инженерия на современном этапе// Современные научные взгляды в эпоху глобальных трансформаций: проблемы, новые векторы развития : Материалы XLII Всероссийской научно-практической конференции, Ростов-на-Дону, 16 декабря 2021 года. – Ростов-на-Дону: ООО "Издательство ВВМ", 2021. – С. 631-634.