РДНК-биотехнология. Способы биотрансформации клеток

 

 Если проблема доставки  чужеродной ДНК in vitro практически решена, а ее доставка в клетки-мишени разных тканей in vivo успешно решается (главным образом путем создания конструкций, несущих рецепторные белки, в том числе и антигены, специфичные для тех или иных тканей), то другие характеристики существующих векторных систем - стабильность интеграции, регулируемая экспрессия, безопасность — все еще нуждаются в серьезных доработках.

 

 Прежде всего это  касается стабильности интеграции. До настоящего времени интеграция  в геном достигалась только  при использовании ретровирусных  либо аденоассоциированных векторов. Повысить эффективность стабильной  интеграции можно путем совершенствования  генных конструкций типа рецептор-опосредованных  систем, либо путем создания достаточно  стабильных эписомных векторов (то  есть ДНК-структур, способных к  длительной персистенции внутри  ядер).

 

 В последнее время  особое внимание уделяется созданию  векторов на базе искусственных  хромосом млекопитающих (MAC - mammalian artificial chromosomes). Благодаря наличию основных структурных элементов обычных хромосом такие мини-хромосомы длительно удерживаются в клетках и способны нести полноразмерные (геномные) гены и их естественные регуляторные элементы, которые необходимы для правильной работы гена, в нужной ткани и в должное время. Такие искусственные хромосомы уже созданы для дрожжей (YAK), так как геном дрожжей полностью картирован.

 

 Для идентификации  модифицированных клеток, необходимы  маркеры. Если трансформируют  соматические клетки, то применяют  обычно селективные маркеры. Аксель  с коллегами из колледжа терапии  и хирургии Колумбийского университета  исправили таким образом генетический  дефект клеток мыши. Они взяли  фрагмент ДНК, содержащий ген  тимидинкиназы (ТК), который получен  из вируса герпеса, смешали  эту ДНК с несколькими миллиграммами  ДНК-носителя из спермы лосося  и осадили ДНК на культуру  L-клеток мыши, в которых ген ТК отсутствовал (ТК-). С частотой 1 на 100000 клетки приобретали ген ТК, поэтому на селективной среде, которая не позволяла расти ТК- - клеткам, росли и нормально размножались ТК+ - клетки.

 

 Другой селективный  маркер - ген, кодирующий дигидрофолатредуктазу  (ДГФР), можно использовать при  трансформации немутантных линий  клетки. Благодаря экспрессии многих  копий этого гена животная  клетка вместе с плазмидой  приобретает устойчивость к высоким  концентрациям ингибитора фермента, и таким образом трансформантов  можно отбирать при высоких  концентрациях ингибитора.

 

 Разработано еще два  универсальных вектора, содержащих  генные маркеры, работающие в  нормальных клетках. Они построены  по одному и тому же принципу: прокариотические гены, определяющие  фенотип трансгенных клеток, соединены  с эукариотическими регуляторными  сигналами.

 

 Один из векторов  состоит из прокариотического  гена устойчивости к антибиотику  неомицину, встроенного в раннюю  область генома SV-40. Эукариотические клетки чувствительны к аналогу неомицина G 418, который инактивируется продуктом гена. Таким образом клетки, прошедшие трасфекцию приобретают способность расти на среде, содержащей G 418.

 

 

2.5 Генетическая транформация  соматических клеток млекопитающих

 

 

 Культуры трансформированных  клеток млекопитающих используют  для получения различных веществ.  Хотя культуры клеток животных, особенно при массовом выращивании,  гораздо менее экономичны, чем  бактериальные дрожжевые культуры, они обладают существенным преимуществом  - способностью осуществлять мелкие, но весьма важные модификации  белков - продуктов гена млекопитающих.  Например, для эффективного функционирования  ряда белков необходимо присоединение  к ним цепочек из молекул  углеводов или липидов. Образование  и присоединение таких цепочек  - обычный процесс для клеток  млекопитающих, тогда как бактериальная  клетка не способна производить  подобные модификации.

 

 Помимо создания клеток-продуцентов,  трансформация соматических клеток  млекопитающих позволяет изучать  тонкие механизмы регуляции экспрессии  генов и целенаправленно модифицировать  генетический аппарат клетки  животных, а при необходимости  и человека, что имеет огромное  значение для медицинской генетики.

 

 Культуры клеток млекопитающих  могут оказаться эффективным  источником выделения некоторых  вирусных антигенов с целью  получения вакцин для животных  и человека. Получение таких вакцинных  культур клеток осуществимо при  помощи техники рекомбинантных  ДНК и эффективных векторов  экспрессии для клеток млекопитающих  и человека. При использовании  ДНК-вакцин в организм вводится  не антиген, а ген, кодирующий  синтез этого антигена. Ген встраивается  в плазмиду, а плазмида вводится  организм путем обыкновенной  инъекции.

 

 ДНК-вакцины имеют хорошие  перспективы в животноводстве. Фибер  – белок вирусной оболочки. Эпитоп  фибера кодирует синтез протективных  антител. Одно из заболеваний  птиц – синдром снижения яйценоскости (ССЯ) вызывается вирусом. После  анализа ДНК этого вируса был  выделен ген, кодирующий фибер,  проклонирован и встроен в  плазмиду. Рекомбинантная вакцина  при введении ее в организм  принесет ДНК фибера в клетку, выработка вирусного белка спровоцирует  синтез специфических антител,  т. е. вызовет иммунный ответ.

 

 Достоинством таких  вакцин является очень маленький  объем – для иммунизации одной  мыши достаточно 10-50 мкг плазмиды, одной коровы – 200-300 мкг. Плазмида  сохраняется в организме до 1 года. В стадии клинических испытаний  в настоящее время находятся  ДНК-вакцины против микоплазм,  возбудителя туберкулеза, сальмонеллеза,  лейшманиоза.

 

 Развитие злокачественной  опухоли в организме обычно  подавляет иммунитет. Проблема  в том, чтобы подхлестнуть иммунную  систему в целом и направить  ее действие против раковых  клеток. Исследователи из Медицинской  школы в Энн-Арборе (Мичиган) придумали  метод борьбы с раком. В опухолевые  клетки толстой кишки подопытных  мышей ввели гены, кодирующие  белки другой линии мышей. Это  можно осуществить с помощью  липосом или вируса. После появления  на внешней стороне клеточной  мембраны этих белков иммунная  система атаковала такие клетки. 20% больных мышей выздоровели,  у 70% опухоль уменьшилась, в  контрольной группе все умерли. Лимфоциты боролись не только  с «меченными» клетками опухоли,  но и клетками метастаз, следовательно,  иммунная система «проснулась». В настоящее время ведутся  эксперименты на людях с раком  кожи.

 

 

2.6 Генотерапия

 

 

 Лечение заболеваний  с помощью генов получило название  генотерапии. Сейчас в мире  насчитывается порядка 400 проектов, посвященных лечению с помощью  генотеропии.

 

 Разработке программы  генной терапии предшествуют  тщательный анализ тканеспецифической  экспрессии соответствующего гена, идентификация первичного биохимического  дефекта, исследование структуры,  функции и внутриклеточного распределения  его белкового продукта, а также  биохимический анализ патологического  процесса. Все эти данные учитываются  при составлении соответствующего  медицинского протокола.

 

 Апробацию процедуры  генокоррекции наследственного  заболевания проводят на первичных  культурах клеток больного, в  которых в норме функционально  активен данный ген. На этих  клеточных моделях оценивают  эффективность выбранной системы  переноса экзогенной ДНК, определяют  экспрессию вводимой генетической  конструкции, анализируют ее взаимодействие  с геномом клетки, отрабатывают  способы коррекции на биохимическом  уровне. Используя культуры клеток, можно разработать систему адресной  доставки рекомбинантных ДНК,  однако проверка надежности работы  этой системы может быть осуществлена  только на уровне целого организма.  Поэтому такое внимание в программах  по генной терапии уделяется  экспериментам in vivo на естественных или искусственно полученных моделях соответствующих наследственных болезней у животных.

 

 Успешная коррекция  генетических дефектов у таких  животных и отсутствие нежелательных  побочных эффектов генной терапии  являются важнейшей предпосылкой  для разрешения клинических испытаний.  Таким образом, стандартная схема  генокоррекции наследственного  дефекта включает серию последовательных  этапов. Она начинается созданием  полноценно работающей (экспрессирующейся)  генетической конструкции, содержащей  смысловую (кодирующую белок)  и регуляторную части гена. На  следующем этапе решается проблема  вектора, обеспечивающего эффективную,  а по возможности и адресную  доставку гена в клетки-мишени. Затем проводится трансфекция  (перенос полученной конструкции)  в клетки-мишени, оценивается эффективность  трансфекции, степень коррегируемости  первичного биохимического дефекта  в условиях клеточных культур  (in vitro) и, что особенно важно, in vivo на животных - биологических моделях. Только после этого можно приступать к программе клинических испытаний.

 

 Существует два типа  генотерапии: заместительная и  корректирующая.

 

 Заместительная генотерапия  заключается во вводе в клетку  неповрежденного гена. Внесенная  копия заменит по функциям  сохранившийся в геноме больного  дефектный ген. Все проводимые  сегодня клинические испытания  используют внесение в клетку  дополнительных количеств ДНК.

 

 При корректирующей  терапии предполагается замена  дефектного гена нормальным в  результате рекомбинации. Пока этот  метод на стадии лабораторных  испытаний, так как эффективность  его еще очень низка.

 

 В зависимости от  способа введения экзогенных  ДНК в геном пациента генная  терапия может проводиться либо  в культуре клеток (ex vivo), либо непосредственно в организме (in vivo). Клеточная генная терапия или терапия ex vivo предполагает выделение и культивирование специфических типов клеток пациента, введение в них чужеродных генов, отбор трансфецированных клеток и реинфузию их тому же пациенту.

 

 Примером может служить  лечение комбинированного иммунодефииицита. Комбинированный иммунодефицит  может быть результатом дефекта  гена аденозиндезаминазы. Впервые  попытка лечения такого больного  методами генотерапии была предпринята  в США в 1990 г. У больного  ребенка извлекли Т-лимфоциты,  трансформировали ретровирусным  вектором, введя нормальный ген  аденозиндезаминазы и вернули  клетки в организм. Введение приходится  повторять. Более эффективна аналогичная  трансформация стволовых клеток  костного мозга.

 

 Генная терапия in vivo основана на прямом введении клонированных и определенным образом упакованных последовательностей ДНК в специфические ткани больного. В настоящее время не существует общедоступного метода культивирования клеток легких, поэтому при легочных заболеваниях единственный способ доставить чужеродный ген - это ввести его прямо в организм. Муковисцидоз - весьма распространенное среди людей белой расы тяжелое наследственное заболевание легких, которое поражает, например, в семьях из Центральной Европы одного новорожденного из 2500 и для которого установлен дефектный ген, кодирующий белок-регулятор трансмембранной проводимости. Основное проявление дефектного гена – пневмония. Поражаются все эпителиальные клетки. Основная проблема – как доставить ген в клетки, покрытые слизью, которая препятствует трансформации. Неповрежденную копию "гена заболевания", включенную в аденовирусный вектор или липосому, вводят в форме аэрозоля в дыхательные пути больного.

 

 Для коррекции нарушения  при прогрессирующей мышечной  дистрофии Дюшенна (заболевании  мальчиков, связанном с дефектами  Х-хромосомы) нормальный ген, кодирующий  белок дистрофии, пытались прямо  вкалывать в мышечные волокна,  используя либо "голую" ДНК,  либо аденовирусный вектор. Другие  исследователи трансплантировали  больному миобласты после генетической  коррекции. Ранее неподвижный  ребенок приобретал способность  двигаться! К сожалению, во  всех этих опытах удается получить  только временный терапевтический  эффект, и процедура введения  гена должна неоднократно повторяться.

 

 Список наследственных  заболеваний, которые пытаются  или планируют лечить генами, велик. Это и ревматоидный артрит, и фенилкетонурия, и заболевания,  связанные с недостатком гормонов (инсулина, эритропоэтина, гормона  роста). В случае хронической анемии, связанной с дефицитом эритропоэтина,  на основании опытов на животных  предлагается принципиально новый  подход к лечению. Так как  каждая из наших клеток содержит  один и тот же геном, можно  заставить фибробласты кожи, которые  в норме не производят эритропоэтина,  синтезировать этот гормон. Для  этого нужно ввести в геном  новую контролирующую область  и тем самым снять запрет  со считывания (экспрессии) гена  эритропоэтина, присутствующего,  но "молчащего" в фибробластах.

 

 Практически в любой  области медицины либо начаты  клинические испытания лечения  наследственных заболеваний с  помощью генотерапии, либо в  опытах на животных разрабатываются  подходы к такому лечению. По  мере усовершенствования методов  доставки генов и контроля  их экспрессии список заболеваний,  к которым можно применять  генотерапию, будет безусловно  расширяться.