Соматическое слияние

В этой статье отсутствует информация о растениях: грибах (см. ссылки в PMID  24031488), бактериях (PMID  14545006), в очень разных водорослях (doi :10.1099/00221287-134-3-635) -- все, что связано с протопластами, работает. Пожалуйста, расширьте статью, включив эту информацию. Дополнительные подробности могут быть на странице обсуждения . ( Январь 2022 г. )

Соматическое слияние , также называемое слиянием протопластов , представляет собой тип генетической модификации растений, при котором два различных вида растений сливаются вместе, образуя новое гибридное растение с характеристиками обоих, соматический гибрид . ^[1] Гибриды были получены либо между различными сортами одного и того же вида (например, между нецветущими растениями картофеля и цветущими растениями картофеля), либо между двумя различными видами (например, между пшеницей Triticum и рожью Secale для получения Triticale ).

Использование соматического слияния включает в себя разработку растений, устойчивых к болезням, например, создание растений картофеля, устойчивых к болезни скручивания листьев картофеля . ^[2] Благодаря соматическому слиянию культурное растение картофеля Solanum tuberosum , урожайность которого сильно снижается из-за вирусного заболевания, передаваемого переносчиком тлей , сливается с диким, не клубненосным картофелем Solanum brevidens , который устойчив к болезни. Полученный гибрид имеет хромосомы обоих растений и, таким образом, похож на полиплоидные растения. Соматическая гибридизация была впервые введена Карлсоном и др. в Nicotiana glauca . ^[3]

Процесс соматического слияния происходит в четыре этапа: ^[4]

1. Удаление клеточной стенки одной клетки каждого типа растения с использованием фермента целлюлазы для получения соматической клетки, называемой протопластом.
2. Затем клетки сливаются с помощью электрического шока (электрослияния) или химической обработки для соединения клеток и слияния ядер. Полученное слитое ядро ​​называется гетерокарионом .
3. Затем формирование клеточной стенки индуцируется с помощью гормонов.
4. Затем клетки выращиваются в каллусы , которые затем выращиваются в проростки и, наконец, в полноценное растение, известное как соматический гибрид.

Процедура для семенных растений, описанная выше, слияние протопластов мха может быть инициировано без электрошока, а с использованием полиэтиленгликоля (ПЭГ). Кроме того, протопластам мха не нужны фитогормоны для регенерации , и они не образуют каллюс . ^[5] Вместо этого регенерирующие протопласты мха ведут себя как прорастающие споры мха . ^[6] Далее следует отметить, что можно использовать нитрат натрия и ион кальция при высоком pH, хотя результаты различаются в зависимости от организма. ^[7]

Соматические клетки разных типов могут быть объединены для получения гибридных клеток. Гибридные клетки полезны в различных отношениях, например,

(i) изучить контроль деления клеток и экспрессии генов ,

(ii) исследовать злокачественные трансформации ,

(iii) для получения вирусной репликации ,

(iv) для картирования генов или хромосом и для

(v) производство моноклональных антител путем создания гибридом (гибридных клеток между бессмертной клеткой и лимфоцитом , продуцирующим антитела ) и т. д.

Картирование хромосом посредством гибридизации соматических клеток по сути основано на слиянии человеческих и мышиных соматических клеток. Обычно человеческие фиброциты или лейкоциты сливаются с мышиными непрерывными клеточными линиями .

При смешивании клеток человека и мыши (или клеток любых двух видов млекопитающих или одного и того же вида) спонтанное слияние клеток происходит с очень низкой скоростью (10-6). Слияние клеток усиливается в 100–1000 раз добавлением инактивированного ультрафиолетом вируса Сендай (парагриппа) или полиэтиленгликоля (ПЭГ).

Эти агенты прилипают к плазматическим мембранам клеток и изменяют их свойства таким образом, что облегчают их слияние. Слияние двух клеток приводит к образованию гетерокариона, т. е. одной гибридной клетки с двумя ядрами, по одному от каждой из клеток, вступающих в слияние. Впоследствии два ядра также сливаются, давая гибридную клетку с одним ядром.

Обобщенную схему гибридизации соматических клеток можно описать следующим образом. Соответствующие человеческие и мышиные клетки отбираются и смешиваются вместе в присутствии инактивированного вируса Сендай или ПЭГ для стимуляции слияния клеток. Через некоторое время клетки (смесь человеческих, мышиных и «гибридных» клеток) высеваются на селективную среду , например, среду HAT , которая позволяет размножать только гибридные клетки.

Несколько клонов (каждый из одной гибридной клетки) гибридных клеток, таким образом, изолируются и подвергаются как цитогенетическим , так и соответствующим биохимическим анализам для обнаружения фермента / белка / исследуемого признака . В настоящее время делается попытка соотнести наличие и отсутствие признака с наличием и отсутствием человеческой хромосомы в гибридных клонах.

Если существует идеальная корреляция между наличием или отсутствием человеческой хромосомы и признаком в гибридных клонах, то считается, что ген, управляющий признаком, находится в соответствующей хромосоме.

Среда HAT является одной из нескольких селективных сред, используемых для отбора гибридных клеток. Эта среда дополнена гипоксантином , аминоптерином и тимидином , отсюда и название среда HAT. Антиметаболит аминоптерин блокирует клеточный биосинтез пуринов и пиримидинов из простых сахаров и аминокислот . Однако нормальные клетки человека и мыши все еще могут размножаться, поскольку они могут использовать гипоксантин и тимидин, присутствующие в среде, через путь утилизации , который обычно перерабатывает пурины и пиримидины, полученные в результате деградации нуклеиновых кислот . Гипоксантин превращается в гуанин ферментом гипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазой (HGPRT), в то время как тимидин фосфорилируется тимидинкиназой (TK); как HGPRT , так и TK являются ферментами пути утилизации. На среде HAT могут размножаться только те клетки, которые имеют активные ферменты HGPRT (HGPRT+) и TK (TK+), в то время как клетки с дефицитом этих ферментов (HGPRr- и/или TK-) не могут делиться (так как они не могут производить пурины и пиримидины из-за аминоптерина, присутствующего в среде HAT). Для использования среды HAT в качестве селективного агента человеческие клетки , используемые для слияния, должны быть дефицитными либо по ферменту HGPRT, либо по TK, в то время как мышиные клетки должны быть дефицитными по другому ферменту этой пары. Таким образом, можно слить человеческие клетки с дефицитом HGPRT (обозначенные как TK+ HGPRr-) с мышиными клетками с дефицитом TK (обозначенные как TK- HGPRT+). Их продукты слияния (гибридные клетки) будут TK+ (из-за человеческого гена ) и HGPRT+ (из-за мышиного гена) и будут размножаться на среде HAT, в то время как клетки человека и мыши не смогут этого сделать. Эксперименты с другими селективными средами можно планировать аналогичным образом.

1. Слияние соматических клеток, по-видимому, является единственным способом, с помощью которого два разных родительских генома могут быть рекомбинированы у растений, которые не могут размножаться половым путем (бесполые или стерильные).
2. Протопласты сексуально стерильных ( гаплоидных , триплоидных и анеуплоидных ) растений могут быть слиты для получения фертильных диплоидов и полиплоидов .
3. Соматическое слияние клеток преодолевает барьеры сексуальной несовместимости. В некоторых случаях соматические гибриды между двумя несовместимыми растениями также нашли применение в промышленности или сельском хозяйстве .
4. Слияние соматических клеток полезно при изучении цитоплазматических генов и их активности, и эту информацию можно применять в экспериментах по селекции растений .

Примечание: В таблице перечислены лишь некоторые примеры, скрещиваний гораздо больше. Возможности этой технологии велики; однако не все виды легко помещаются в культуру протопластов.