Διαγονιδιακά ζώα και κλωνοποίηση
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 9 · Τεχνικές τροποποίησης ζώων, φαρμακευτικές πρωτεΐνες στο γάλα, κλωνοποίηση
Γιατί ένα πρόβατο πήρε το όνομα μιας τραγουδίστριας;
Η Dolly γεννήθηκε το 1996 στο Ινστιτούτο Roslin της Σκωτίας και πήρε το όνομά της από την τραγουδίστρια Dolly Parton — επειδή ο πυρήνας από τον οποίο δημιουργήθηκε προήλθε από κύτταρο μαστικού αδένα. Πώς φτιάχνεις ολόκληρο ζώο από ένα κύτταρο ενήλικα; Και πώς κάνεις ένα πρόβατο να βγάζει ανθρώπινο φάρμακο στο γάλα του;
Η τροποποίηση του γενετικού υλικού των ζώων
Διαγονιδιακά ζώα δημιουργούνται κυρίως με μικροένεση: το ξένο γονίδιο (DNA) εγχέεται με πολύ λεπτή βελόνα σε γονιμοποιημένο ωάριο, το οποίο εμφυτεύεται στη μήτρα μιας θετής μητέρας. Σε ένα ποσοστό των εμβρύων το γονίδιο ενσωματώνεται στο DNA και, επειδή αυτό έγινε στο ζυγωτό, υπάρχει σε όλα τα κύτταρα του ζώου — και στα γεννητικά, οπότε μεταβιβάζεται στους απογόνους.
Εφαρμογές:
- Αύξηση της ζωικής παραγωγής: π.χ. ζώα με ταχύτερη ανάπτυξη ή καλύτερη ποιότητα προϊόντων.
- Παραγωγή φαρμακευτικών πρωτεϊνών (βλ. παρακάτω).
- Μοντέλα ασθενειών: ζώα στα οποία μελετώνται ανθρώπινες ασθένειες και νέες θεραπείες.
Φαρμακευτικές πρωτεΐνες στο γάλα διαγονιδιακών ζώων
Ορισμένες ανθρώπινες πρωτεΐνες δεν μπορούν να παραχθούν σωστά από βακτήρια, επειδή χρειάζονται τροποποιήσεις μετά τη μετάφραση (π.χ. προσθήκη σακχάρων) που μόνο ευκαρυωτικά κύτταρα θηλαστικών πραγματοποιούν. Λύση: παραγωγή τους στο γάλα διαγονιδιακών ζώων.
Κλασικό παράδειγμα: η α1-αντιθρυψίνη, πρωτεΐνη που προστατεύει τους πνεύμονες· η ανεπάρκειά της οδηγεί σε εμφύσημα.
- Το ανθρώπινο γονίδιο της α1-αντιθρυψίνης συνδέεται με τον υποκινητή ενός γονιδίου που εκφράζεται μόνο στους μαστικούς αδένες (γονίδιο πρωτεΐνης του γάλακτος).
- Το ανασυνδυασμένο DNA εισάγεται με μικροένεση σε γονιμοποιημένα ωάρια προβάτου, που εμφυτεύονται σε θετές μητέρες.
- Γεννιέται διαγονιδιακό πρόβατο (η γνωστή Tracy), το οποίο εκκρίνει την ανθρώπινη πρωτεΐνη στο γάλα του.
- Η πρωτεΐνη απομονώνεται και καθαρίζεται από το γάλα.
Χάρη στον ειδικό υποκινητή η πρωτεΐνη παράγεται μόνο στον μαστικό αδένα, χωρίς να επηρεάζει την υγεία του ζώου, και συλλέγεται εύκολα, χωρίς να θυσιαστεί το ζώο.
Γιατί το γονίδιο της α1-αντιθρυψίνης συνδέεται με υποκινητή γονιδίου πρωτεΐνης του γάλακτος;
Και ξαφνικά όλοι μιλάνε για κλωνοποίηση
Κλωνοποίηση είναι η δημιουργία γενετικά πανομοιότυπων αντιγράφων: μορίων DNA (κλωνοποίηση DNA), κυττάρων ή ολόκληρων οργανισμών. Στα φυτά η δημιουργία κλώνων (π.χ. με μοσχεύματα) είναι γνωστή από παλιά· στα θηλαστικά ήταν εξαιρετικά δύσκολη.
Η Dolly (γεννήθηκε το 1996, ανακοινώθηκε το 1997) ήταν το πρώτο θηλαστικό που κλωνοποιήθηκε από σωματικό κύτταρο ενήλικου ζώου, με μεταφορά πυρήνα:
- Από ένα πρόβατο (δότης) λήφθηκαν κύτταρα μαστικού αδένα και απομονώθηκε ο πυρήνας τους.
- Από ένα ωάριο άλλου προβάτου αφαιρέθηκε ο πυρήνας (απύρηνο ωάριο).
- Ο πυρήνας του σωματικού κυττάρου μεταφέρθηκε στο απύρηνο ωάριο (με σύντηξη, με ηλεκτρικούς παλμούς) και το κύτταρο άρχισε να διαιρείται σαν ζυγωτό.
- Το έμβρυο εμφυτεύτηκε στη μήτρα τρίτου προβάτου (θετή μητέρα).
Η Dolly ήταν γενετικά ίδια με τον δότη του πυρήνα ως προς το πυρηνικό DNA· το μιτοχονδριακό της DNA προερχόταν από το ωάριο. Το πείραμα απέδειξε ότι ο πυρήνας ενός διαφοροποιημένου κυττάρου περιέχει όλη τη γενετική πληροφορία για τη δημιουργία ολόκληρου οργανισμού.
Ο συνδυασμός κλωνοποίησης και διαγονιδιακής τεχνολογίας επιτρέπει την παραγωγή πολλών πανομοιότυπων διαγονιδιακών ζώων (π.χ. η Polly, πρόβατο με ανθρώπινο γονίδιο).
Για να γεννηθεί η Dolly, οι ερευνητές δημιούργησαν με μεταφορά πυρήνα 277 «ανασυγκροτημένα» ωάρια. Από αυτά μόνο 29 έδωσαν έμβρυα κατάλληλα για εμφύτευση, και μόνο ένα έφτασε ως τη γέννηση. Η κλωνοποίηση θηλαστικών από σωματικό κύτταρο ήταν — και παραμένει — εξαιρετικά δύσκολη.
Μέθοδος: ερωτήσεις κλωνοποίησης και διαγονιδιακών ζώων
- Ποιος δίνει τι; Πυρήνας → δότης (καθορίζει το πυρηνικό DNA)· ωάριο → μιτοχονδριακό DNA· θετή μητέρα → μόνο το περιβάλλον κύησης.
- Φύλο του κλώνου: ίδιο με τον δότη του πυρήνα.
- Διαγονιδιακό ζώο: μικροένεση σε ζυγωτό → το γονίδιο σε όλα τα κύτταρα → μεταβιβάζεται.
- Έκφραση σε συγκεκριμένο ιστό: επιλογή του κατάλληλου υποκινητή.
- Γιατί ζώο και όχι βακτήριο; Τροποποιήσεις μετά τη μετάφραση που τα βακτήρια δεν κάνουν.
Παράδειγμα 1: Ένας πυρήνας από κύτταρο δέρματος λευκού προβάτου μεταφέρεται σε απύρηνο ωάριο μαύρου προβάτου, και το έμβρυο εμφυτεύεται σε καφέ πρόβατο. Τι χρώμα θα έχει ο κλώνος (αν το χρώμα καθορίζεται από πυρηνικά γονίδια);
Λύση: Λευκό, όπως ο δότης του πυρήνα. Το πυρηνικό DNA καθορίζει τα χαρακτηριστικά· το ωάριο προσφέρει μόνο κυτταρόπλασμα και μιτοχόνδρια και η θετή μητέρα μόνο το περιβάλλον της κύησης.
Παράδειγμα 2: Γιατί η α1-αντιθρυψίνη παράγεται σε διαγονιδιακά πρόβατα και όχι σε βακτήρια, όπως η ινσουλίνη;
Λύση: Η α1-αντιθρυψίνη, για να είναι λειτουργική, χρειάζεται τροποποιήσεις μετά τη μετάφραση (π.χ. προσθήκη σακχάρων), που τα βακτήρια δεν μπορούν να κάνουν. Τα κύτταρα του μαστικού αδένα του προβάτου, ως ευκαρυωτικά κύτταρα θηλαστικού, πραγματοποιούν αυτές τις τροποποιήσεις.
Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Ένα διαγονιδιακό πρόβατο που παράγει ανθρώπινο παράγοντα πήξης στο γάλα του είναι θηλυκό και πολύτιμο. Οι ερευνητές θέλουν πολλά ζώα με την ίδια ιδιότητα.
(α) Γιατί η απλή διασταύρωσή του δεν εξασφαλίζει ότι όλοι οι απόγονοι θα έχουν την ιδιότητα; (β) Πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η κλωνοποίηση; (γ) Θα είναι οι κλώνοι πλήρως γενετικά πανομοιότυποι με το πρόβατο;
Λύση:
(α) Το ξένο γονίδιο συνήθως έχει ενσωματωθεί σε ένα μόνο από τα δύο ομόλογα χρωμοσώματα, οπότε, σύμφωνα με τον νόμο του διαχωρισμού μόνο οι μισοί γαμέτες το φέρουν — κατά μέσο όρο μόνο οι μισοί απόγονοι το κληρονομούν.
(β) Με μεταφορά πυρήνα: πυρήνες από σωματικά κύτταρα του διαγονιδιακού προβάτου μεταφέρονται σε απύρηνα ωάρια, τα έμβρυα εμφυτεύονται σε θετές μητέρες. Όλοι οι κλώνοι φέρουν το γονίδιο.
(γ) Όχι απόλυτα: έχουν ίδιο πυρηνικό DNA, αλλά το μιτοχονδριακό DNA προέρχεται από τα ωάρια-δότες. (Επιπλέον, το περιβάλλον επηρεάζει τον φαινότυπο.)
Από πού προέρχεται το μιτοχονδριακό DNA της Dolly;
Γιατί το ξένο γονίδιο εισάγεται σε γονιμοποιημένο ωάριο και όχι σε κύτταρο ενήλικου ζώου;
Ένα κριάρι και μια προβατίνα είναι και τα δύο διαγονιδιακά: καθένα φέρει ένα αντίγραφο (σε ένα αυτοσωμικό χρωμόσωμα) του ανθρώπινου γονιδίου ενός παράγοντα πήξης, συνδεδεμένου με τον υποκινητή ενός γονιδίου πρωτεΐνης του γάλακτος. Γράψε για το χρωμόσωμα με το γονίδιο και για το ομόλογό του χωρίς αυτό.
(α) Διασταυρώνονται. Ποια η πιθανότητα ένας απόγονος να είναι θηλυκό που εκκρίνει τον παράγοντα στο γάλα του; (β) Ποια η πιθανότητα ένας απόγονος να είναι ομόζυγος ; (γ) Μια ομόζυγη προβατίνα διασταυρώνεται με μη διαγονιδιακό κριάρι. Τι ποσοστό των απογόνων θα εκκρίνει τον παράγοντα; (δ) Το διαγονιδιακό κριάρι δεν δίνει γάλα. Είναι «άχρηστο» για τους ερευνητές;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) → φέρουν τουλάχιστον ένα . Θηλυκό με πιθανότητα , ανεξάρτητα: .
(β) .
(γ) Όλοι οι απόγονοι είναι , αλλά γάλα δίνουν μόνο τα θηλυκά: 50% των απογόνων.
(δ) Όχι. Φέρει το γονίδιο σε όλα του τα κύτταρα, αφού προήλθε από διαγονιδιακό ζυγωτό, και το μεταβιβάζει στους μισούς απογόνους του, άρα και στις κόρες του. Απλώς δεν το εκφράζει, επειδή ο υποκινητής είναι γονιδίου πρωτεΐνης του γάλακτος και λειτουργεί μόνο στους μαστικούς αδένες που παράγουν γάλα.
- «Η Dolly μοιάζει γενετικά με τη θετή μητέρα.» Η θετή μητέρα δεν δίνει γενετικό υλικό.
- «Ο κλώνος είναι 100% ίδιος με τον δότη.» Το μιτοχονδριακό DNA προέρχεται από το ωάριο.
- Σύγχυση διαγονιδιακού ζώου (ξένο γονίδιο) με κλώνο (γενετικό αντίγραφο).
- Παράλειψη του ρόλου του υποκινητή για την έκφραση στον μαστικό αδένα.
- Διαγονιδιακά ζώα: μικροένεση DNA σε γονιμοποιημένο ωάριο → θετή μητέρα → γονίδιο σε όλα τα κύτταρα.
- Φαρμακευτικές πρωτεΐνες στο γάλα: γονίδιο + υποκινητής γονιδίου του γάλακτος (Tracy, α1-αντιθρυψίνη για εμφύσημα).
- Γιατί ζώα: τροποποιήσεις μετά τη μετάφραση που τα βακτήρια δεν κάνουν.
- Κλωνοποίηση με μεταφορά πυρήνα (Dolly): πυρήνας σωματικού κυττάρου + απύρηνο ωάριο + θετή μητέρα.
- Κλώνος: ίδιο πυρηνικό DNA με τον δότη, μιτοχονδριακό από το ωάριο.