stringtranslate.com

Искусственная хромосома человека

Искусственная хромосома человека ( HAC ) — это микрохромосома , которая может действовать как новая хромосома в популяции человеческих клеток. То есть, вместо 46 хромосом клетка может иметь 47, причем 47-я будет очень маленькой, размером примерно 6–10 мегабаз (Мб) вместо 50–250 Мб для естественных хромосом, и способной нести новые гены, введенные исследователями-людьми. В идеале исследователи могли бы интегрировать различные гены, которые выполняют различные функции, включая защиту от болезней.  

Альтернативные методы создания трансгенов , такие как использование искусственных хромосом дрожжей и искусственных хромосом бактерий , приводят к непредсказуемым проблемам. Генетический материал, вводимый этими векторами, не только приводит к разным уровням экспрессии, но вставки также нарушают исходный геном. [1] HAC отличаются в этом отношении, так как они являются полностью отдельными хромосомами. Такое отделение от существующего генетического материала предполагает, что не возникнет никаких инсерционных мутантов . [2] Эта стабильность и точность делают HAC предпочтительными по сравнению с другими методами, такими как вирусные векторы , YAC и BAC. [3] HAC позволяют доставлять больше ДНК (включая промоторы и вариации числа копий ), чем это возможно с вирусными векторами. [4]

Искусственные хромосомы дрожжей и искусственные хромосомы бактерий были созданы до искусственных хромосом человека, которые были впервые разработаны в 1997 году . HAC полезны в исследованиях экспрессии в качестве векторов переноса генов , как инструмент для выяснения функции хромосом человека и как метод активной аннотации генома человека . [5]

История

HAC были впервые сконструированы de novo в 1997 году путем добавления альфа-сателлитной ДНК к теломерной и геномной ДНК в человеческих клетках HT1080 . Это привело к созданию совершенно новой микрохромосомы , содержащей интересующую ДНК, а также элементы, позволяющие ей быть структурно и митотически стабильной, такие как теломерные и центромерные последовательности. [6] Из-за сложности формирования de novo HAC этот метод в значительной степени был заброшен.

Методы строительства

В настоящее время существуют две общепринятые модели создания векторов искусственных хромосом человека. Первая заключается в создании небольшой минихромосомы путем изменения естественной человеческой хромосомы. Это достигается путем усечения естественной хромосомы с последующим введением уникального генетического материала через систему рекомбинации Cre-Lox . Второй метод подразумевает буквальное создание новой хромосомы de novo . [7] Прогресс в отношении формирования HAC de novo был ограничен, поскольку многие крупные геномные фрагменты не будут успешно интегрироваться в векторы de novo . [5] Другим фактором, ограничивающим формирование векторов de novo , является ограниченное знание того, какие элементы требуются для построения, в частности, центромерные последовательности. [2] Однако проблемы, связанные с центромерными последовательностями, начали преодолеваться. [8]

Приложения

Исследование 2009 года показало дополнительные преимущества HAC, а именно их способность стабильно содержать чрезвычайно большие геномные фрагменты. Исследователи включили  ген дистрофина 2,4 Мб, мутация в котором является ключевым причинным элементом мышечной дистрофии Дюшенна . Полученный HAC был митотически стабильным и правильно экспрессировал дистрофин у химерных мышей. Предыдущие попытки правильно экспрессировать дистрофин потерпели неудачу. Из-за его большого размера он никогда ранее не был успешно интегрирован в вектор. [9]

В 2010 году было сообщено об усовершенствованной человеческой искусственной хромосоме под названием 21HAC. 21HAC основана на урезанной копии человеческой хромосомы 21, что дает хромосому  длиной 5 Мб. Усечение хромосомы 21 привело к получению человеческой искусственной хромосомы, которая была митотически стабильной. 21HAC также можно было переносить в клетки различных видов (мышей, кур, людей). Используя 21HAC, исследователи смогли вставить ген, кодирующий тимидинкиназу вируса простого герпеса, в опухолевые клетки. Этот «ген самоубийства» необходим для активации многих противовирусных препаратов. Эти целевые опухолевые клетки были успешно и выборочно уничтожены противовирусным препаратом ганцикловир в популяции, включающей здоровые клетки. Это исследование открывает множество возможностей для использования HAC в генной терапии. [10]

В 2011 году исследователи сформировали искусственную хромосому человека, укоротив хромосому 14. Затем генетический материал был введен с использованием системы рекомбинации Cre-Lox . Это конкретное исследование было сосредоточено на изменении уровней экспрессии путем оставления частей существующей геномной ДНК. Оставив существующие теломерные и субтеломерные последовательности, исследователи смогли усилить уровни экспрессии генов, кодирующих выработку эритропоэтина, более чем в 1000 раз. Эта работа также имеет большое значение для генной терапии, поскольку эритропоэтин контролирует образование эритроцитов. [11]

HAC использовались для создания трансгенных животных , используемых в качестве моделей заболеваний человека, а также для производства терапевтических продуктов. [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Като М., Аябе Ф., Норикане С., Окада Т., Масумото Х., Хорике С., Сираёши Ю., Осимура М. (август 2004 г.). «Создание нового вектора искусственной хромосомы человека для доставки генов». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 321 (2): 280–90. дои : 10.1016/j.bbrc.2004.06.145. ПМИД  15358173.
  2. ^ ab Grimes BR, Rhoades AA, Willard HF (июнь 2002 г.). «Альфа-сателлитная ДНК и состав вектора влияют на скорость формирования искусственных хромосом человека». Молекулярная терапия . 5 (6): 798–805. doi : 10.1006/mthe.2002.0612 . PMID  12027565.
  3. ^ Mejía JE, Willmott A, Levy E, Earnshaw WC, Larin Z (август 2001 г.). «Функциональная комплементарность генетического дефицита с помощью искусственных хромосом человека». American Journal of Human Genetics . 69 (2): 315–26. doi :10.1086/321977. PMC 1235305. PMID  11452360. 
  4. ^ ab Kouprina N, Earnshaw WC, Masumoto H, Larionov V (апрель 2013 г.). «Новое поколение искусственных хромосом человека для функциональной геномики и генной терапии». Cellular and Molecular Life Sciences . 70 (7): 1135–48. doi :10.1007/s00018-012-1113-3. PMC 3522797 . PMID  22907415. 
  5. ^ ab Basu J, Compitello G, Stromberg G, Willard HF, Van Bokkelen G (июль 2005 г.). "Эффективная сборка искусственных хромосом человека de novo из крупных геномных локусов". BMC Biotechnology . 5 : 21. doi : 10.1186/1472-6750-5-21 . PMC 1182356 . PMID  15998466. 
  6. ^ Harrington JJ, Van Bokkelen G, Mays RW, Gustashaw K, Willard HF (апрель 1997 г.). «Формирование de novo центромер и построение искусственных микрохромосом человека первого поколения». Nature Genetics . 15 (4): 345–55. doi :10.1038/ng0497-345. PMID  9090378. S2CID  9150827.
  7. ^ Какеда М., Хирацука М., Нагата К., Куроива Ю., Какитани М., Като М., Осимура М., Томизука К. (май 2005 г.). «Вектор искусственной хромосомы человека (HAC) обеспечивает долгосрочную терапевтическую экспрессию трансгена в нормальных первичных фибробластах человека». Генная терапия . 12 (10): 852–6. дои : 10.1038/sj.gt.3302483 . ПМИД  15750614.
  8. ^ Логсдон, Гленнис А.; Гамбоджи, Крейг В.; Лисковых, Михаил А.; Баррей, Эвелин Дж.; Ларионов, Владимир; Мига, Карен Х .; Хойн, Патрик; Блэк, Бен Э. (2019-07-25). «Искусственные хромосомы человека, обходящие центромерную ДНК». Cell . 178 (3): 624–639.e19. doi :10.1016/j.cell.2019.06.006. ISSN  0092-8674. PMC 6657561 . PMID  31348889. 
  9. ^ Hoshiya H, Kazuki Y, Abe S, Takiguchi M, Kajitani N, Watanabe Y, Yoshino T, Shirayoshi Y, Higaki K, Messina G, Cossu G, Oshimura M (февраль 2009 г.). «Высокостабильная и неинтегрированная человеческая искусственная хромосома (HAC), содержащая весь ген человеческого дистрофина размером 2,4 Мб». Molecular Therapy . 17 (2): 309–17. doi :10.1038/mt.2008.253. PMC 2835068 . PMID  19034264. 
  10. ^ Кадзуки Ю, Хошия Х, Такигучи М, Абэ С, Иида Ю, Осаки М, Като М, Хирацука М, Сираёши Ю, Хирамацу К, Уэно Э, Кадзитани Н, Ёсино Т, Кадзуки К, Исихара С, Такехара С, Цудзи С., Эджима Ф., Тойода А., Сакаки Ю., Ларионов В., Куприна Н., Осимура М. (апрель 2011 г.). «Уточненные векторы искусственных хромосом человека для генной терапии и трансгенеза животных». Генная терапия . 18 (4): 384–93. дои : 10.1038/gt.2010.147. ПМК 3125098 . ПМИД  21085194. 
  11. ^ Какеда М, Нагата К, Осава К, Мацуно Х, Хирацука М, Сано А, Оказаки А, Ситара С, Нисикава С, Масуя А, Хата Т, Вако С, Осаки М, Казуки Ю, Осимура М, Томизука К (ноябрь) 2011). «Новая векторная система искусственной хромосомы человека (HAC) на основе хромосомы 14 для эффективной экспрессии трансгена в первичных клетках человека». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 415 (3): 439–44. дои : 10.1016/j.bbrc.2011.10.088. ПМИД  22051050.