Нокдаун генов — это экспериментальный метод, с помощью которого снижается экспрессия одного или нескольких генов организма . Снижение может происходить либо посредством генетической модификации, либо путем обработки реагентом , таким как короткий олигонуклеотид ДНК или РНК , последовательность которого комплементарна либо гену, либо транскрипту мРНК. [1]
Если ДНК организма генетически модифицирована, полученный организм называется «нокдаун-организмом». Если изменение экспрессии гена вызвано связыванием олигонуклеотида с мРНК или временным связыванием с геном , это приводит к временному изменению экспрессии гена, которое не модифицирует хромосомную ДНК, и результат называется «временным нокдауном». ". [1]
При временном нокдауне связывание этого олигонуклеотида с активным геном или его транскриптами вызывает снижение экспрессии посредством множества процессов. Связывание может происходить либо за счет блокирования транскрипции (в случае связывания генов), деградации транскрипта мРНК (например, с помощью небольшой интерферирующей РНК ( миРНК )) или РНКазы -H-зависимой антисмысловой, либо за счет блокирования трансляции любой из мРНК. , сайты сплайсинга пре-м РНК или сайты расщепления нуклеазой , используемые для созревания других функциональных РНК, включая миРНК (например, с помощью морфолиноолигонуклеотидов или других независимых от РНКазы-H антисмысловых). [1] [2]
Наиболее прямое использование временных нокдаунов — это изучение гена , который был секвенирован , но имеет неизвестную или не полностью известную функцию. Этот экспериментальный подход известен как обратная генетика . Исследователи делают выводы на основании того, чем нокдаун отличается от индивидуумов, у которых интересующий ген работает. Временные нокдауны часто используются в биологии развития, поскольку олигонуклеотиды можно инъецировать в одноклеточные зиготы и они будут присутствовать в дочерних клетках инъецированной клетки в процессе эмбрионального развития. [3] Термин «нокдаун гена» впервые появился в литературе в 1994 году [4]
РНК-интерференция (РНКи) — это способ подавления генов путем деградации мРНК. [5] Нокдаун гена этим методом достигается путем введения в цитоплазму небольших двухцепочечных интерферирующих РНК (миРНК). Малые интерферирующие РНК могут возникать изнутри клетки или могут быть введены в клетку экзогенно. После введения в клетку экзогенные миРНК обрабатываются РНК-индуцированным комплексом молчания ( RISC ). [6] siRNA комплементарна целевой мРНК, которую нужно замолчать, и RISC использует siRNA в качестве матрицы для обнаружения целевой мРНК. После того, как RISC локализуется на целевой мРНК, РНК расщепляется рибонуклеазой.
РНКи широко используется в качестве лабораторного метода генетического функционального анализа. [7] РНКи в таких организмах, как C. elegans и Drosophila melanogaster, обеспечивает быстрый и недорогой способ исследования функции генов. В исследованиях C. elegans наличие таких инструментов, как Библиотека РНКи Арингера, дает лабораториям возможность тестировать многие гены в различных экспериментальных условиях. Информация, полученная в результате экспериментального использования РНКи, может быть полезна при определении потенциальных терапевтических целей, разработке лекарств или других приложениях. [8] РНК-интерференция является очень полезным исследовательским инструментом, позволяющим исследователям проводить масштабные генетические скрининги с целью определить цели для дальнейших исследований, связанных с конкретным путем, лекарством или фенотипом. [9] [10]
Другой способ подавления экзогенной ДНК, обнаруженный у прокариот, — это механизм, включающий локусы, называемые «кластеризованными регулярно расположенными короткими палиндромными повторами» или CRISPR . [11] CRISPR-ассоциированные (cas) гены кодируют клеточный механизм, который разрезает экзогенную ДНК на небольшие фрагменты и вставляет их в локус повтора CRISPR. Когда эта область ДНК CRISPR экспрессируется клеткой, небольшие РНК, образующиеся из вставок экзогенной ДНК, служат шаблонной последовательностью, которую другие белки Cas используют для подавления этой же экзогенной последовательности. Транскрипты коротких экзогенных последовательностей используются в качестве руководства для подавления чужеродной ДНК, когда она присутствует в клетке. Это служит своего рода приобретенным иммунитетом, и этот процесс подобен механизму интерференции прокариотической РНК. Повторы CRISPR консервативны среди многих видов, и было продемонстрировано, что их можно использовать в клетках человека, [12] бактериях, [13] C. elegans , [14] рыбках данио , [15] и других организмах для эффективных манипуляций с геномом. Использование CRISPR в качестве универсального исследовательского инструмента можно проиллюстрировать [16] многими исследованиями, в которых он использовался для создания организмов с изменениями генома.
Другая технология, ставшая возможной благодаря манипулированию геномом прокариот, — это использование эффекторных нуклеаз, подобных активаторам транскрипции ( TALEN ), для воздействия на определенные гены. [17] TALEN — это нуклеазы, которые имеют два важных функциональных компонента: ДНК-связывающий домен и домен, расщепляющий ДНК. ДНК-связывающий домен представляет собой эффекторную последовательность, специфичную для активатора транскрипции, тогда как домен, расщепляющий ДНК, происходит от бактериальной эндонуклеазы и является неспецифичным. TALEN можно сконструировать для расщепления последовательности, определенной последовательностью эффекторной части конструкции, подобной активатору транскрипции. После создания TALEN вводится в клетку в виде плазмиды или мРНК. TALEN экспрессируется, локализуется в целевой последовательности и расщепляет определенный сайт. После расщепления целевой последовательности ДНК с помощью TALEN клетка использует негомологичное соединение концов в качестве механизма восстановления ДНК для коррекции расщепления. Попытка клетки восстановить расщепленную последовательность может сделать кодируемый белок нефункциональным, поскольку этот механизм восстановления приводит к ошибкам вставки или удаления в восстановленном сайте.
До сих пор нокдаун-организмы с необратимыми изменениями в ДНК создавались главным образом для исследовательских целей. Эти организмы , также известные как просто нокдауны , чаще всего используются для обратной генетики, особенно у таких видов, как мыши или крысы , к которым нелегко применить технологии временного нокдауна. [3] [18]
Есть несколько компаний, которые предлагают коммерческие услуги, связанные с лечением нокдауна генов.