В генной инженерии генная пушка или система доставки биолистических частиц — это устройство, используемое для доставки экзогенной ДНК ( трансгенов ), РНК или белка в клетки. Покрывая частицы тяжелого металла интересующим геном и запуская эти микроснаряды в клетки с помощью механической силы, можно внедрить интеграцию желаемой генетической информации в нужные клетки. Технику, связанную с такой доставкой ДНК микроснарядами, часто называют биолистикой , сокращенно от «биологической баллистики». [1] [2]
Это устройство способно трансформировать практически любой тип клеток и не ограничивается трансформацией ядра; он также может трансформировать органеллы, включая пластиды и митохондрии . [3]
Генная пушка изначально представляла собой пневматический пистолет Crosman , модифицированный для стрельбы плотными частицами вольфрама . Он был изобретен Джоном Сэнфордом , Эдом Вольфом и Нельсоном Алленом из Корнелльского университета [4] [5] [6] вместе с Тедом Кляйном из DuPont в период с 1983 по 1986 год. Первоначальной целью был лук (выбранный из-за большого размера клеток). , и устройство использовалось для доставки частиц, покрытых маркерным геном , который передал бы сигнал, если бы произошла правильная вставка транскрипта ДНК. [7] Генетическая трансформация была продемонстрирована при наблюдаемой экспрессии маркерного гена в клетках лука.
В самых ранних генных пушках, изготовленных по индивидуальному заказу (изготовленных Нельсоном Алленом), использовался патрон для гвоздестрельного пистолета 22 калибра , чтобы продвигать полиэтиленовый цилиндр (пулю) вниз по стволу Дугласа 22 калибра. Капля вольфрамового порошка, покрытая генетическим материалом, была помещена на пулю и сброшена в чашку Петри внизу. Пуля приварилась к диску под пластинкой Петри, и генетический материал врезался в образец с эффектом пончика, включающим опустошение в середине образца и кольцо хорошей трансформации по периферии. Пушка была соединена с вакуумным насосом и во время стрельбы находилась под вакуумом. Ранняя конструкция была запущена в ограниченное производство компанией Rumsey-Loomis (местный механический цех на Мекленбург-роуд в Итаке, штат Нью-Йорк, США).
Biolistics, Inc. продала Dupont права на производство и распространение обновленного устройства с улучшениями, включая использование гелия в качестве невзрывоопасного топлива и многодискового механизма доставки столкновений для минимизации повреждения тканей образца. Другие тяжелые металлы, такие как золото и серебро , также используются для доставки генетического материала, причем золото предпочтительнее из-за более низкой цитотоксичности по сравнению с вольфрамовыми носителями снарядов. [8]
Биолистическая трансформация включает интеграцию функционального фрагмента ДНК, известного как конструкция ДНК, в клетки-мишени. Генная конструкция представляет собой кассету ДНК, содержащую все необходимые регуляторные элементы для правильной экспрессии в организме-мишени. [9] [ нужна страница ] Хотя конструкции генов могут различаться по своей конструкции в зависимости от желаемого результата процедуры трансформации, все конструкции обычно содержат комбинацию последовательности промотора , последовательности терминатора , интересующего гена и гена-репортера .
Генные пушки в основном используются с растительными клетками. Тем не менее, существует большой потенциал использования для людей и других животных.
Мишенью генной пушки часто является каллус недифференцированных растительных клеток или группа незрелых эмбрионов, растущих на гелевой среде в чашке Петри. После того, как частицы золота, покрытые ДНК, доставлены в клетки, ДНК используется в качестве матрицы для транскрипции (временная экспрессия), а иногда она интегрируется в хромосому растения («стабильная» трансформация).
Если доставленная конструкция ДНК содержит селектируемый маркер, то стабильно трансформированные клетки можно отбирать и культивировать с использованием методов культуры тканей. Например, если доставленная конструкция ДНК содержит ген, придающий устойчивость к антибиотику или гербициду, то стабильно трансформированные клетки можно отобрать путем включения этого антибиотика или гербицида в среду для культуры ткани.
Трансформированные клетки можно обрабатывать рядом растительных гормонов, таких как ауксины и гиббереллины , и каждый из них может делиться и дифференцироваться в организованные, специализированные тканевые клетки целого растения. Эта способность к полной регенерации называется тотипотентностью . Новое растение, возникшее из успешно трансформированной клетки, может иметь новые наследственные признаки. Использование генной пушки можно противопоставить использованию Agrobacterium tumefaciens и ее Ti-плазмиды для внедрения ДНК в растительные клетки. См. Трансформацию , чтобы узнать о различных методах трансформации у разных видов.
Генные пушки также использовались для доставки ДНК-вакцин .
Доставка плазмид в нейроны крыс с помощью генной пушки, в частности в нейроны DRG, также используется в качестве фармакологического предшественника при изучении последствий нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера .
Генная пушка стала распространенным инструментом для маркировки подмножеств клеток в культивируемых тканях. Помимо возможности трансфицировать клетки ДНК-плазмидами, кодирующими флуоресцентные белки, генную пушку можно адаптировать для доставки в клетки широкого спектра жизненно важных красителей. [16]
Бомбардировка генной пушкой также использовалась для трансформации Caenorhabditis elegans в качестве альтернативы микроинъекциям . [17]
Биолистика оказалась универсальным методом генетической модификации, и обычно ее предпочитают создавать устойчивые к трансформации культуры, такие как зерновые . Примечательно, что Bt- кукуруза является продуктом биолистики. [9] [ нужна страница ] Трансформация пластид также добилась больших успехов при бомбардировке частицами по сравнению с другими современными методами, такими как трансформация, опосредованная Agrobacterium , которая испытывает трудности с нацеливанием вектора на хлоропласт и его стабильной экспрессией в нем. [9] [ нужна страница ] [18] Кроме того, нет сообщений о том, что хлоропласт подавлял трансген, введенный с помощью генной пушки. [19] Кроме того, всего одним выстрелом из генной пушки опытный специалист может создать два трансформированных организма определенных видов. [18] Эта технология даже позволила модифицировать определенные ткани in situ , хотя это, вероятно, повредит большое количество клеток и трансформирует только некоторые , а не все клетки ткани. [20]
Биолистика случайным образом вводит ДНК в клетки-мишени. Таким образом, ДНК может быть трансформирована в любые геномы, присутствующие в клетке, будь то ядерные, митохондриальные, плазмидные или любые другие, в любой комбинации, хотя правильный дизайн конструкции может смягчить это. Доставка и интеграция нескольких матриц конструкции ДНК является вполне возможной, что приводит к потенциальным переменным уровням экспрессии и количеству копий вставленного гена. [9] [ нужна страница ] Это связано со способностью конструкций отдавать и забирать генетический материал из других конструкций, в результате чего некоторые не несут трансгена, а другие несут множественные копии; количество вставленных копий зависит как от того, сколько копий трансгена имеет вставленная конструкция, так и от того, сколько их было вставлено. [9] [ нужна страница ] Кроме того, поскольку эукариотические конструкции основаны на незаконной рекомбинации — процессе, посредством которого трансген интегрируется в геном без сходных генетических последовательностей — а не на гомологичной рекомбинации , они не могут быть нацелены на определенные места в геноме, [ 9] [ нужна страница ] за исключением случаев, когда трансген доставляется совместно с реагентами для редактирования генома .