Ральф Лоуренс Бринстер [2] (родился 10 марта 1932 года) — американский генетик , лауреат Национальной научной медали и профессор репродуктивной физиологии имени Ричарда Кинга Меллона в Школе ветеринарной медицины Пенсильванского университета. [3]
Ральф Л. Бринстер вырос на небольшой ферме в Сидар-Гроув, штат Нью-Джерси , где его родители разводили чистокровных животных. [3] Он изучал зоотехнию в качестве бакалавра в Куковской школе сельского хозяйства, Ратгерский университет , Нью-Брансуик, штат Нью-Джерси, и получил степень бакалавра в 1953 году. Пока он учился в колледже, начался Корейский конфликт, и он добровольно пошел на службу. Он был вторым лейтенантом ВВС США в Корее в последний год боевых действий и после назначения в армию США был размещен к северу от Сеула в армейском батальоне. Он вернулся с военной службы и получил степень VMD ( Veterinariae Medicinae Doctoris ) (1960) и степень доктора философии по физиологии (1964) в Университете Пенсильвании .
Ральф Бринстер признан одним из основоположников области трансгенеза млекопитающих . [4] [5] [6] Он известен всему научному сообществу своими революционными исследованиями в области раннего развития эмбриона, дифференциации эмбриональных клеток , механизмов контроля генов и биологии стволовых клеток . [5] [7] [8] Вклад Бринстера в наши знания и понимание зародышевой линии млекопитающих был поистине выдающимся и был признан на самом высоком уровне. Нет ученого, который внес бы больший вклад в понимание генетической модификации млекопитающих и зародышевых клеток — самых важных клеток для особи и выживания любого вида. В 2006 году Бринстера наградили международной премией Канадского фонда Гэрднера за пионерские открытия в области модификации зародышевой линии у млекопитающих. [5] В части цитаты говорилось: «Его спектр вкладов не имеет себе равных в этой области». Зародышевые клетки лежат в основе преемственности видов и отвечают за размножение особей с различным генетическим содержанием, что имеет решающее значение для эволюционной конкуренции. В частности, генетический состав этих клеток является сутью их важности. Основополагающие исследования Бринстера по стратегиям манипуляции яйцеклетками млекопитающих и его пионерские исследования сперматогониальных стволовых клеток сегодня являются основой для всех исследований в этой области, включая спорный потенциал модификации человеческой зародышевой линии.
Некоторые предположили, что «экспериментальная генетическая манипуляция зародышевой линией животных, первоначально путем пронуклеарной инъекции клонированной ДНК в зиготы, представляет собой одну из самых значительных вех в истории человеческой цивилизации», Берингер и др. в работе Manipulating the Mouse Embryo (Cold Spring Harbor Laboratory Press, стр. 14, 2014). Модификация зародышевой линии существует уже сотни миллионов лет и внесла свой вклад в эволюцию видов посредством взаимодействия с окружающей средой. Целенаправленная модификация зародышевой линии человеком началась около 10 000 лет назад в плодородном полумесяце юго-западной Азии с одомашниванием растений и животных, что дало начало сельскому хозяйству и современной цивилизации. Первоначальную концепцию одомашнивания диких видов можно рассматривать как первое из четырех важнейших достижений во вмешательстве человека в эволюционную модификацию зародышевой линии, и многие считают ее началом современной истории человечества. Последующее осознание того, что отбор и разведение желаемых фенотипов приведет к ценным изменениям в одомашненных видах, символизирует второе достижение. Идентификация и характеристика наследственных элементов, которая началась с исследований Менделя и продолжается сегодня с секвенированием геномов, представляет собой третье значимое развитие. Эти три концептуальных достижения часто считаются основой сельского хозяйства и современной цивилизации. Экспериментальное добавление или модификация отдельных последовательностей ДНК и генов в зародышевой линии, известное как трансгенез, является примером четвертого уникального концептуального достижения в целенаправленной модификации человеком зародышевой линии. Таким образом, создание трансгенных животных является необычным, творческим развитием в историческом взаимодействии человека с другими видами и имеет огромное значение в биологии и медицине (см. NICHD 2003 Hall of Honor и 2012 Colloquium External links ниже).
В 1960-х годах Бринстер был пионером в разработке методов манипулирования эмбрионами мышей , и его методы сделали мышь основной генетической моделью для понимания основ биологии и болезней человека. [5] [6] Его исследования обеспечили экспериментальную основу для прогресса в генетической модификации зародышевой линии у ряда видов, что вызвало революцию в биологии, медицине и сельском хозяйстве. [7]
В июле 2024 г. у доктора Бринстера было 411 публикаций, примерно 322 из них в рецензируемых журналах и 89 глав/обзоров. Включены публикации: 30 в Nature, 18 в Cell, 13 в Science и 35 в Proc. Natl. Acad. Sci.
Его вклад в исследования/влияние оценивается как 1-й из 173 000 исследователей в области ветеринарной медицины в мире и 8-й из миллиона исследователей в области сельского хозяйства и природных ресурсов в мире по версии Scholars GPS с индексом Хирша = 153.
Он занимает 128-е место в мире и 96-е место в США среди ведущих ученых 2024 года по версии Research.com с индексом D (индекс Хирша по дисциплине) = 152.
Будучи кандидатом наук в 1960-х годах, Бринстер разработал первую надежную систему культивирования in vitro для ранних эмбрионов млекопитающих . Его первые исследования были посвящены оплодотворенным яйцеклеткам мыши. В 1963 году он описал метод культивирования, состоящий из микрокапель среды под маслом, который остается основным методом культивирования яйцеклеток млекопитающих всех видов, включая человеческие яйцеклетки во время экстракорпорального оплодотворения. В течение следующих 10 лет Бринстер изучал многие аспекты метаболизма яйцеклеток мышей и определил характеристики, общие для яйцеклеток всех видов млекопитающих. На основе этих исследований он разработал питательную среду и стратегии манипуляции эмбрионами, которые являются основой всех сред для культивирования яйцеклеток и методов манипуляции, используемых сегодня. Он опубликовал более 60 статей в общей области метаболизма и культивирования яйцеклеток и является ученым, заложившим основу для последующих исследований, связанных с культивированием яйцеклеток млекопитающих. Его исследования предоставили надежный метод манипулирования всеми стадиями предимплантационного развития у мышей и других видов млекопитающих (см. рисунок 1). [10] [9]
Эти методы сохранились до наших дней и составляют основу всех экспериментов с эмбрионами млекопитающих, включая трансгенных животных, исследования эмбриональных стволовых клеток, экстракорпоральное оплодотворение человека и млекопитающих, клонирование млекопитающих и технологию нокаута .
Его стратегии культивирования in vitro и манипуляции яйцеклетками напрямую способствовали появлению основополагающих методов современной науки, таких как разделение эмбрионов, интрацитоплазматическая инъекция сперматозоидов, ядерная трансплантация и митохондриальная трансплантация в яйцеклетки, среди прочих, которые осуществляются in vitro с использованием методов, практически не изменившихся с тех пор, как их представил Бринстер.
Этот «метод Бринстера» манипуляции эмбрионами настолько распространен в современной биологии, что другие ученые редко цитируют эту работу в текущих публикациях. [10] [9]
Бринстер использовал основу своих стратегий культивирования и манипуляции для изучения методов изменения генетического состава развивающихся эмбрионов и их зародышевых клеток. В начале 1970-х годов он вводил стволовые клетки в эмбрионы (бластоцисты) в серии изобретательных экспериментов, которые имели огромное значение и изменили способ, которым ученые думали о возможности модификации генов в зародышевой линии. Он был первым ученым, который продемонстрировал, что чужеродные клетки тератокарциномы могут объединяться с собственными клетками бластоцисты, образуя взрослых «химерных» мышей, что продемонстрировало осуществимость этого нового подхода к изменению генетического характера мышей (рис. 2). [11] Введение чужеродных клеток и новых генов в этих химерных мышей породило первых прототипов трансгенных животных. [8] Кроме того, это открытие стимулировало поиск эмбриональных стволовых клеток и в конечном итоге привело к разработке «нокаутной мыши».
Профессор Бринстер был первым ученым, который сделал микроинъекцию РНК и ДНК в оплодотворенные яйцеклетки, и был на переднем крае применения этих методов микроинъекции для создания трансгенных мышей. [4] [6] [14] [15] Прямая инъекция оплодотворенных яйцеклеток мышей, впервые примененная Бринстера, была первым подходом к достижению рутинной экспериментальной модификации зародышевой линии и послужила основой для всех последующих методов (рис. 3). [13]
Затем Бринстер сотрудничал с Ричардом Палмитером , выдающимся молекулярным биологом из Вашингтонского университета, чтобы стать пионером и разработать перенос чужеродных генов в млекопитающих, и они использовали эти методы для выяснения активности и функции многих генов. Их основополагающие эксперименты стали катализатором всемирной революции в генной инженерии в 1980-х годах. [14] [15] [16] Трансгенные мыши теперь используются каждый день в тысячах лабораторий по всему миру для исследования всего: от биологии рака и сердечно-сосудистых заболеваний до потери волос и аномального поведения. Их эксперименты впервые показали, что новые гены могут быть введены в зародышевую линию млекопитающих с потенциалом повышения устойчивости к болезням, усиления роста и выработки жизненно важных белков, таких как факторы свертывания крови, необходимые больным гемофилией . Возможно, их самым известным экспериментом было создание «гигантской/супермыши», которая вызвала интерес в научном сообществе и среди широкой общественности к огромному потенциалу разрабатываемой трансгенной технологии и считается началом генетической революции в биологии, медицине и сельском хозяйстве (рис. 4). [12] Кроме того, они предоставили первое доказательство экспрессии трансгенов , первый пример рака, возникшего из-за трансгена, и первое доказательство целенаправленной интеграции ДНК путем инъекции в яйцеклетку. [17] [18] Вместе Бринстер и Пальмитер разработали многие из первых животных моделей человеческих заболеваний на протяжении 1980-х годов. Их партнерство также дало первых трансгенных кроликов, овец и свиней. [19]
Это трансконтинентальное сотрудничество создало корпус работ, который сформировал основу для поколения научного прогресса в генетической модификации посредством трансгенеза, гомологичной рекомбинации или методов «нокаута» и клонирования; и стратегии культивирования и манипуляции яйцеклетками были важны для этих экспериментов Бринстера и Палмитера, а также для всех других ученых, работающих с яйцеклетками и эмбрионами всех видов. Методы культивирования и инъекции яйцеклеток, разработанные Бринстера, служат основой для системы генетической модификации CRISPR/Cas9, которая в настоящее время используется для всех типов изменений генов у всех видов.
Короче говоря, метод инъекции яйцеклеток Бринстера был первым, который использовался для создания трансгенных животных, и в настоящее время является основным методом внесения всех генетических изменений во все виды.
В последние годы Бринстер продолжал развивать область биологии стволовых клеток, сделав ряд катализирующих, трансформационных открытий с использованием мужских стволовых клеток зародышевой линии, называемых сперматогониальными стволовыми клетками (ССК). Сперматогониальные стволовые клетки в яичках являются единственными клетками во взрослом организме, которые делятся на протяжении всей жизни и передают гены следующему поколению, что делает их мощным ресурсом для модификации генов любого вида млекопитающих. В элегантных экспериментах, опубликованных в 1994 году, Бринстер продемонстрировал, что эти стволовые клетки можно трансплантировать из яичек фертильного самца в яички бесплодного самца, где они устанавливают сперматогенез и производят сперматозоиды донорского гаплотипа (рис. 5). [20] [22] Он также продемонстрировал, что эта методика применима ко всем исследованным видам млекопитающих, включая людей. [21] В настоящее время ученые расширяют культуру сперматогониальных стволовых клеток и трансплантацию на мальчиков препубертального возраста, проходящих лечение от рака, чтобы сохранить их фертильность (рис. 6). [21] Возможность собирать, культивировать, генетически модифицировать, замораживать и трансплантировать сперматогониальные стволовые клетки не только позволит проводить сложную генетическую модификацию, но и сделает отдельных мужчин биологически бессмертными. Более того, текущие исследования показывают, что вскоре станет возможным преобразовать соматическую клетку в зародышевую клетку, в частности в SSC, что будет иметь огромные научные последствия и в лечении клинически важных проблем с фертильностью. [20]
Каждое из этих четырех революционных открытий дало начало целым направлениям научных исследований.
Фундаментальная и огромная важность прорывных экспериментов Ральфа Бринстера, лежащих в основе модификации зародышевой линии, подтверждается осознанием того, что ни один уровень описания генетического кода не позволит понять, как он функционирует, без возможности экспериментально модифицировать код и изучать результат in vivo. Эти эксперименты по модификации зародышевой линии у млекопитающих сегодня основаны на основополагающей работе Бринстера, включая разработку стратегий культивирования яйцеклеток и манипуляций с ними, демонстрацию того, что бластоциста может быть колонизирована чужеродными стволовыми клетками, способность яйцеклеток выживать при прямой инъекции РНК и ДНК и методы модификации сперматогониальных стволовых клеток. Вклад Ральфа Бринстера в эту область не имеет себе равных, и его часто называют «отцом трансгенеза».
В 2003 году Бринстер был награжден премией Вольфа по медицине и отмечен за «разработку процедур для манипулирования яйцеклетками и эмбрионами мышей, что позволило осуществить трансгенез и его применение на мышах. Первый ученый, который сделал микроинъекцию оплодотворенных яйцеклеток (с РНК), Бринстер был на переднем крае применения этих методов для создания трансгенных мышей». [4] Важно отметить, что первые трансгены любого вида были созданы путем прямой инъекции генов в яйцеклетки мышей, что стало основным методом создания трансгенных животных с момента его описания. Более того, развитие подхода CRISPR/Cas9 теперь сделало прямую инъекцию яйцеклеток выбором для модификации зародышевой линии почти во всех обстоятельствах и у всех видов. В 2006 году Бринстер получил международную премию Канадского фонда Гэрднера за пионерские открытия в модификации зародышевой линии у млекопитающих. [5] В части цитаты говорилось: «его спектр вкладов не имеет себе равных в этой области». Совсем недавно Бринстер был награжден Национальной медалью науки 2010 года, высшей наградой, присуждаемой правительством США ученым и инженерам, от президента Барака Обамы за его основополагающий вклад в генетическую модификацию зародышевой линии. С момента учреждения награды в 1962 году Бринстер стал первым ветеринаром в Соединенных Штатах и восьмым ученым из Университета Пенсильвании, получившим Национальную медаль науки. [7] [23]
Бринстер провел всю свою академическую карьеру в Школе ветеринарной медицины Пенсильванского университета; с 1956 по 1960 год он был студентом-ветеринаром, с 1960 по 1964 год — постдокторантом и кандидатом на степень доктора философии, а затем продолжил работу в качестве преподавателя. [24] В 1966 году он был назначен доцентом, в 1970 году — профессором, а в 1975 году — профессором репродуктивной физиологии Ричарда Кинга Меллона, и эту должность он занимает до сих пор. В 1969 году он основал Программу подготовки научных сотрудников в области ветеринарной медицины, первую и единственную объединенную программу VMD (DVM)/PhD, финансируемую Национальными институтами здравоохранения, и был ее директором до 1984 года. С 1969 года программа подготовила более 100 выпускников с объединенной степенью, которые занимают многие руководящие должности по всей стране. С 1997 по 2007 год он был научным директором Центра трансгенеза животных и исследований зародышевых клеток в Школе ветеринарной медицины. С 2007 по 2008 год он был содиректором-основателем Института регенеративной медицины Пенсильванского университета, одной из ведущих программ в мире. Он подготовил более 50 додокторантов и постдокторантов в своей лаборатории и преподавал физиологию студентам-профессионалам в Школе ветеринарной медицины каждый год с 1964 по 2020 год. В 2020 году Пенсильванский университет учредил звание почетного профессора имени Ральфа Л. Бринстера в знак признания выдающегося научного вклада Бринстера. [25]
В 1961 году Бринстер женился на Элейн Реддинг, дипломированной медсестре и выпускнице Филадельфийской школы сестринского дела, и в настоящее время они проживают в Гладвине, штат Пенсильвания. У них четверо детей. Лорен Р. Бринстер получила степень доктора ветеринарной медицины в Школе ветеринарной медицины Пенсильванского университета. Она ветеринарный патолог в Национальном институте здравоохранения, Бетесда, штат Мэриленд. Кристен А. Бринстер получила степень доктора юриспруденции в Школе права Балтиморского университета . Она судебный адвокат и основатель и управляющий партнер Sutherland & Brinster, PA в Мэриленде. Дерек Р. Бринстер получил степень доктора медицины в Медицинской школе Перельмана Пенсильванского университета . Он является профессором сердечно-сосудистой и торакальной хирургии и директором отделения аортальной хирургии в Northwell Health, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. Клейтон Дж. Бринстер получил степень доктора медицины в Медицинской школе Перельмана при Пенсильванском университете. Он является директором Центра заболеваний аорты и доцентом сосудистой и эндоваскулярной хирургии в Медицинском центре Чикагского университета в Чикаго, штат Иллинойс. В 2021 году дети учредили Премию Элейн Реддинг Бринстер в области науки и медицины в знак признания огромного вклада Элейн в достижения семьи. Премия в размере 200 000 долларов и медаль будут ежегодно вручаться выдающемуся ученому из любой страны Институтом регенеративной медицины Пенсильванского университета во время ежегодного симпозиума Ральфа Л. Бринстера.
Широко известный роман Зэди Смит « Белые зубы » посвящен генетически модифицированной мыши «Futuremouse», созданной по мотивам трансгенных экспериментов Палмитера и Бринстера в 1980-х годах.
В 2017 году доктор Бринстер был изображен в своей лаборатории художницей-портретисткой Мэри Уайт . Мэри Уайт недавно была награждена Золотой медалью Общества портретистов Америки в честь «пожизненной преданности совершенству, а также в знак признания выдающегося труда, который служит развитию и развитию изобразительного искусства портретной живописи и фигуративных работ в Америке». [30]