Із спостережень над трансгенезом у тварин

Людина тисячоліттями працювала з тваринами, пристосовуючи їх до задоволення своїх потреб. Для виведення усієї розмаїтости свійських тварин біологи використали добір серед тієї варіябельности, що створена самою природою.

Тепер ми живемо в час змін та прискорення у справі створення усяких мутантів, причому не випадкових, а саме в потрібному нам місці геному. Добре це чи погано — існують різні думки, але це повинно було статися і сталося невідворотно, і вже ніколи не вдасться це заборонити. Як свого часу з атомною енергією, нам треба звикати жити з новими організмами, рукотворно і спрямовано змінюваними людиною. Робиться це з допомогою трансгенезу.

Тварин чи рослин, в яких здійснені зміни геномів унаслідок різних операцій, називають трансгенними, а методологію або ж ідеологію застосування трансгенних тварин, — трансгенезом. У найзагальнішому вигляді трансгенез можна визначити як перенесення генів з одного організму в інший через операції in vitro. Трьома критичними точками у трансгенезі є інтеґрація трансгену, його експресія і трансмісія, тобто передання через статеві клітини потомству.

Тепер трансгенез перетворюється у стратегічний напрям досліджень, який дає відповіді на численні фундаментальні питання, знаходячи своє застосування у вивченні функціонування систем регуляції генної активности, у галузях імунології, ембріогенезу, розвитку нервової системи, механізмів кровотворення і ангіогенезу, дослідженнях факторів, що регулюють ріст та диференціяцію мультипотентних стовбурових клітин і, нарешті, у галузі канцерогенезу.

Окрім розв’язання фундаментальних проблем, за допомогою трансгенезу намагаються створювати нові породи тварин або сорти рослин. Є великі шанси на те, що створення тварин, які мають нові корисні ознаки, може бути досягнуте з меншими затратами часу та засобів.

Трансгенних тварин отримують унаслідок трансгенезу — чужорідного генетичного матеріялу. Подібні моделі є ідеальними експериментальними системами для дослідження молекулярно-генетичних основ онтогенезу, вивчення функцій чужорідного гену, оцінювання його біологічної дії на організм, а також для здійснення різних маніпуляцій із специфічними клітинними клонами in vivo.

Найважливішим модельним організмом для трансгенезу є миша. Мишей вирощувалия як домашніх улюбленців ще у Стародавній Японії та Стародавньому Китаї. Справжній вибух їхньої популярности відбувся порівняно недавно. Унаслідок зусиль багатьох лабораторій упродовж останніх десятиліть була створена і підтримується велика кількість інбредних ліній мишей. Вони зробили величезний внесок у сучасні уявлення в онкології, імунології, ембріології та нейробіології.

Трансгенез на прикладі миші

Які ж способи застосовують для створення трансгенних тварин? Найбільш раннім історично широко застосовуваним методом є мікроін’єкція чужорідної ДНК. Але він виявився малоефективним. До недоліків такого методу треба віднести те, що не можна вводити гени у клітини на пізніших стадіях, у процесі інтеґрації відбуваються численні перегрупування, у геном потрапляє велика кількість копій вбудованої ДНК, а інтеґрація відбувається у довільному місці геному у випадковий спосіб.

Інший спосіб отримання трансгенних тварин ґрунтується на тому, що трансфекції підлягає не зигота, а тотипотентні ембріональні стовбурові клітини, які потім трансплантують у порожнину бластоцисти. Ембріональні стовбурові клітини (ЕСК) є ідеальною системою для спрямованого перенесення мутацій у геном ссавців, і технологія ЕСК стала революційною у трансгенезі. Первинні культури цих клітин отримують із клітин бластоцисти або первинних статевих клітин ранніх постімплантаційних зародків.

Важливою перевагою використання ЕСК є можливість селекції потрібних мутантних або трансгенних клонів ще до отримання химерних організмів.

Для досягнення цілей, що їх ставлять при створенні трансгенних організмів, дуже суттєвою є проблема відтворюваної і тканиноспецифічної експресії чужорідних генів. Експресія еукаріотичного гену звичайно залежить від багатьох факторів.

З часу появи технології трансгенезу на початку 1980-х років унаслідок мікроін’єкцій були отримані численні трансгенні тварини: нематоди, дрозофіли, морські їжаки, жаби, згадані вже миші і, звичайно, свійські тварини — вівці, кролики, корови, птахи і риби. Технології трансгенезу, як завжди це буває у науці, мають дві галузі застосування: поглиблення наших фундаментальних уявлень про властивості живого організму і для безпосередніх практичних потреб у розумінні сучасного суспільства.

Трансгенні тварини знайшли широке застосування при розв’язанні практично всіх проблем молекулярної генетики, клітинної біології, імунології, ембріогенетики та ін.

Методи, що їх використовують для вивчення функцій генів, також застосовують для дослідження людських захворювань. Гени, залучені у патогенезу цих захворювань, можна переносити або специфічно інактивувати в мишей, отримуючи цінні модельні організми для опису захворювань або оцінювання терапевтичного ефекту хімічних речовин, рекомбінантних білків або генів, що переносяться у тканини пацієнта.

Іноді патогени людини є видоспецифічні, і тварини не можуть бути використані для дослідження відповідних захворювань. Часто їхня несприйнятливість до певного захворювання викликається відсутністю рецептора до патогену. У кількох випадках трансгенні тварини, що експресують такі рецептори, ставали чутливими до людських захворювань. Так, миші, які експресують людський ген Е-кадгерину в ентероцитах, є добрими моделями для вивчення лістеріозу, а миші, що експресують людський ген CD46, є чутливі до вірусу кору.

Багато чим зобов’язане трансгенним моделям вивчення механізмів хвороби Альцгаймера. Так, миші, нокаутні по генах аполіпопротеїну Е та інтерлейкіну-1, є менш чутливі до хвороби. Деякі з цих моделей використовують для оцінювання терапевтичного ефекту хемічних препаратів. Показано, що ібупрофен та кілька інгібіторів секретази затримують утворення е-амілоїдних бляшок у мозку трансгенних мишей. Численні гени (аполіпопротеїнів, ліпаз та ін.), залучені в розвитку атеросклерозу, були також перенесені або інактивовані в мишей. Чільну роль в органогенезі та дегенерації тканин відіграє апоптоз, дефекти якого можуть призводити до автоімунних захворювань, формування пухлин та нейродегенерацій.

Для вирішення практичних завдань трансгенних тварин виділяють два напрями використання трансгенезу. По-перше, це спроби поліпшення якостей домашніх тварин введенням у них певних генів. По-друге, це спроби використання живих тварин для виробництва цінних продуктів, які важко отримати інакшим спосібом.

Які ж якості домашніх тварин намагаються поліпшити з допомогою трансгенезу? Це насамперед стійкість тварин до захворювань.
На другому місці — оптимізація травлення і метаболізму у тварин, що має на меті поліпшити якість молока, засвоєння дешевих кормів і знизити забруднення довкілля тваринами.

Які ж обмеження та небезпеки трансгенезу?

Розвиток клонування і трансгенезу тварин був раптовий, і більшість людей не може наразі адекватно оцінити переваги та недоліки цих методів. Не дивно, що ці методи стали предметом бурхливих дискусій. Для застосування трансгенезу існують не лише практичні, а й теоретичні обмеження. Додавання чужорідних їм або інактивація генів може мати руйнівні наслідки і навіть викликати смерть тварин. З іншого боку, часто нокаут генів не має ніяких очевидних фенотипових наслідків.

Водночас трансгенні тварини неодмінно досягнуть людей-споживачів, як це вже сталося із трансгенними рослинами та мікроорганізмами. Чужорідні гени, уведені в їх геноми, можуть вплинути на поживні властивості або безпечність для споживання відповідних продуктів. Для запобігання цьому можуть застосовуватися як звичні тести на токсичність та алергенність продуктів, так і порівняння між собою трансгенних і нетрансгенних організмів за загальним складом, а також за експресією генів та білків (з використанням ДНК-чіпів). Особливою проблемою біологічної безпеки є можливість виникнення у трансгенному організмів сприятливих умов для розвитку патогенів, що може бути виявлено не одразу, а лише при появі епідемічної ситуації.

Щодо трансгенезу постають також питання суто етичного плану. Деякі люди вважають такі методи насильством над законами природи, інші встають на захист прав піддослідних тварин. Щодо перших, то слід усвідомити, що більшість із нині існуючих порід свійських тварин створена з використанням селекції, яка теж є одним із способів генетичної модифікації. У другому випадку треба визнати, що одержання ембріонів для мікроін’єкцій та їхнє перенесення до самиць-реципієнток потребує хірургічного втручання або смерти самих тварин. Для мінімізації таких проблем Європейський центр перевірки альтернативних методів (ECVAM) вимагає дотримання таких правил: зменшення кількости лабораторних тварин, удосконалення лабораторних методик і заміни використання тварин, де це можливо, дослідами in vitro на культурах клітин. Рекомендовано також уникати одержання трансгенних тварин, які не можуть дати жодної корисної інформації дослідникам, а також максимально розповсюджувати дані навіть про неґативні результати, щоб уникнути повторного проведення дослідів різними групами. Комітети із справ етики на місцевому, національному або загальноєвропейському рівні закликаються до дослідження етичних аспектів методів, що використовують трансгенних тварин. Ця практика також поступово запроваджується у промисловості та науці.

Підсумовуючим сказане, зауважимо, що сучасний проґрес у трансгенезі дає можливість зробити лише деякі передбачення щодо його майбутнього, позаяк ця галузь розвивається надто швидко для загальних прогнозів. Можна сказати, що в майбутньому в кількох тваринних модулях трансгенез буде використаний більш систематично, зокрема очікується нокаутування більшости генів у миші з подальшим широкомасштабним дослідженням наслідків. Трансгенні тварини стануть необхідним інструментом для дизайну та відкриття лікарських препаратів на основі геноміки. Продукція рекомбінантних фармацевтичних білків у молоці трансгенних тварин не повинна зустріти ніяких суттєвих перешкод. Особливо багатообіцяючими серед білків, отриманих із трансгенних тварин, виглядають моноклональні антитіла, здатні замінити антибіотики в боротьбі з інфекціями. Застосування трансгенезу у тваринництві перебуває на первинних стадіях і потребує подальшого розвитку.

Питання можливости трансгенезу в людини за наявного стану справ у найближчому майбутньому залишається без шансів на втілення. Важливою проблемою залишається ворожість громадськости до біотехнології загалом, спричинена, принаймні частково, відсутністю поінформованости в питаннях, що стосуються цієї галузі.

Олександр Федоренко, Ростислав Стойка