Передача генов через сперму

Перенос генов через сперму (SMGT) — это трансгенная технология, которая переносит гены , основанная на способности сперматозоидов спонтанно связываться с экзогенной ДНК и усваивать ее, а также переносить ее в ооцит во время оплодотворения для получения генетически модифицированных животных . ¹ Экзогенная ДНК относится к ДНК, которая происходит вне организма. Трансгенные животные были получены с помощью SMGT, но эффективность этой технологии низкая. Низкая эффективность в основном обусловлена ​​низким поглощением экзогенной ДНК сперматозоидами, что снижает вероятность оплодотворения ооцитов трансфицированными сперматозоидами. ² Для успешного получения трансгенных животных с помощью SMGT сперматозоиды должны прикрепить экзогенную ДНК к головке, и эти трансфицированные сперматозоиды должны сохранять свою функциональность для оплодотворения ооцита. ² Генетически модифицированные животные, полученные с помощью SMGT, полезны для исследований в биомедицинских, сельскохозяйственных и ветеринарных областях. SMGT также может быть полезен при создании животных в качестве моделей человеческих заболеваний или может привести к будущим открытиям, связанным с генной терапией человека.

Метод SMGT использует сперматозоид, естественный вектор генетического материала, для транспортировки экзогенной ДНК. Экзогенные молекулы ДНК связываются с клеточной мембраной головки сперматозоида. Это связывание и интернализация ДНК не является случайным событием. Экзогенная ДНК взаимодействует с ДНК-связывающими белками (DBP), которые присутствуют на поверхности сперматозоида. ³ Сперматозоиды естественным образом защищены от проникновения экзогенных молекул ДНК с помощью ингибирующего фактора, присутствующего в семенной жидкости млекопитающих. Этот фактор блокирует связывание сперматозоидов и экзогенной ДНК, поскольку в присутствии ингибирующего фактора DBP теряют способность связываться с экзогенной ДНК. В отсутствие этого ингибирующего фактора DBP на сперматозоидах способны взаимодействовать с ДНК и затем могут транслоцировать ДНК в клетку. Поэтому семенная жидкость должна быть удалена из образцов спермы путем тщательного промывания сразу после эякуляции . ³ После того, как ДНК интернализована, экзогенная ДНК должна быть интегрирована в геном. Существуют различные механизмы, предполагаемые для интеграции ДНК, включая интеграцию ДНК при активации ооцита, при деконденсации ядра или при формировании пронуклеусов, но все эти предполагаемые механизмы подразумевают, что интеграция ДНК происходит после проникновения сперматозоида в ооцит. ³

Перенос генов через сперму считается спорным, поскольку, несмотря на успехи, он еще не стал признанной надежной формой генетической манипуляции. Скептицизм возникает на основе предположения, что эволюционный хаос мог бы возникнуть, если бы сперматозоиды могли выступать в качестве векторов для экзогенной ДНК. ⁴ Разумное предположение говорит нам, что поскольку репродуктивные пути содержат свободные молекулы ДНК, сперматозоиды должны быть высокоустойчивы к риску захвата экзогенных молекул ДНК. SMGT был продемонстрирован экспериментально и последовал за предположением, что природа имеет барьеры против SMGT. Эти барьеры не всегда абсолютны и могут объяснить противоречивые экспериментальные результаты SMGT. ⁴ Если существуют естественные барьеры против SMGT, то успехи могут представлять собой только необычные случаи, в которых барьеры не срабатывают. Были идентифицированы два барьера: ингибирующий фактор в семенной жидкости, который предотвращает связывание с чужеродными молекулами ДНК, и эндогенная нуклеазная активность спермы, которая активируется при взаимодействии сперматозоидов с чужеродными молекулами ДНК. ⁴ Эти защитные меры дают основания полагать, что непреднамеренные взаимодействия между спермой и экзогенными генетическими последовательностями сведены к минимуму. Эти барьеры позволяют защититься от угрозы того, что каждое событие оплодотворения может стать потенциально мутагенным. ⁴

Трансгенные животные были успешно получены с использованием методов переноса генов, таких как перенос генов с помощью спермы. Хотя это производство было успешным, эффективность процесса низкая. Низкая эффективность SMGT в производстве трансгенных животных в основном обусловлена ​​плохим усвоением экзогенной ДНК сперматозоидами, что снижает количество оплодотворенных ооцитов с трансфицированными сперматозоидами. ⁵ С 1989 по 2004 год было подано более 30 заявлений на производство жизнеспособных трансгенных животных с использованием SMGT, но только около 25 процентов из них продемонстрировали передачу трансгенов за пределы поколения F _0. ⁴ Эта передача необходима для того, чтобы заявить о пригодном для использования трансгенезе животных. Согласно предыдущим исследованиям, многочисленные виды животных, включая млекопитающих, птиц, насекомых и рыб, были обнаружены восприимчивыми к методам SMGT, что указывает на то, что SMGT имеет широкую применимость среди самых разных видов метазоа. ⁴ В настоящее время, несмотря на низкую частоту передачи трансгенов, частота изменений фенотипа и общего трансгенеза животных в некоторых экспериментах достигала 80 процентов. ⁴

Потенциальное использование сперматозоидов для генной терапии эмбриона соматического типа является возможностью для будущих исследований. Генная терапия эмбриона соматического типа была бы выгодна, поскольку, по-видимому, существует обратная корреляция между возрастом пациента и эффективностью генной терапии. Поэтому возможность генной терапии до возникновения необратимых повреждений была бы идеальной. ⁴ Большинство экспериментов, сообщающих об успешном SMGT, предоставляют доказательства пост-оплодотворенного переноса и сохранения трансгенов. ⁶ SMGT имеет потенциальные преимущества, будучи простым и экономически эффективным методом генной терапии, особенно в отличие от пронуклеарной микроинъекции, другой трансгенной техники. Тем не менее, несмотря на некоторые успехи и потенциальную полезность, SMGT пока не признан надежной формой генетической модификации. ⁶

1. Лавитрано М., Джованнони Р., Черрито М. Г. 2013. Методы переноса генов с помощью сперматозоидов. Методы молекулярной биологии. 927:519-529.

2. Гарсиа-Васкес Ф.А., Руис С., Груллон Л.А., Ондис А.Д., Гутьеррес-Адан А., Гадеа Дж. 2011. Факторы, влияющие на перенос генов, опосредованный спермой свиньи. Исследования в области ветеринарии. 91(3):446-53.

3. Лавитрано М., Буснелли М., Черрито М.Г., Джованнони Р., Манзини С., Варджолу А. 2006. Перенос генов, опосредованный спермой. Репродукция, фертильность и развитие. 18:19-23.

4. Смит К., Спадафора К. 2005. Перенос генов, опосредованный спермой: применение и последствия. BioEssays. 27(5):551-562.

5. Collares T, Campos VF, de Leon PM, Moura, Cavalcanti PV, Amaral, MG, et al. 2011. Передача трансгена у кур путем опосредованного спермой переноса генов после удаления семенной плазмы и обработки экзогенной ДНК диметилсульфоксидом или N,N-диметилацетамидом. Журнал биологических наук. 36(4):613-620.

6. Смит К. 2004. Генная терапия: потенциальная применимость технологии переноса генов к зародышевой линии человека. Международный журнал медицинских наук. 1(2):76-91.