Искусственная хромосома человека - Human artificial chromosome

А искусственная хромосома человека (HAC) это микрохромосома что может действовать как новый хромосома в населении человек клетки. То есть вместо 46 хромосом в клетке могло быть 47, при этом 47-я была очень маленькой, примерно 6–10. мегабазы (Мб) вместо 50–250 Mb для естественных хромосом и может нести новые гены, введенные исследователями-людьми. В идеале исследователи могли бы интегрировать разные гены, которые выполняют множество функций, в том числе защита от болезней.

Альтернативные методы создания трансгены, например, использование искусственные хромосомы дрожжей и бактериальные искусственные хромосомы, приводят к непредсказуемым проблемам. Генетический материал, введенный этими векторов не только приводит к разным уровням экспрессии, но и вставки также нарушают исходный геном.[1] В этом отношении HAC различаются, так как они представляют собой полностью отдельные хромосомы. Такое отделение от существующего генетического материала предполагает, что нет инсерционные мутанты возникнет.[2] Эта стабильность и точность делают HAC предпочтительнее других методов, таких как вирусные векторы, YAC и BAC.[3] HAC позволяют доставлять больше ДНК (в том числе промоутеры и вариант номера копии ), чем это возможно с вирусными векторами.[4]

Искусственные хромосомы дрожжей и бактериальные искусственные хромосомы были созданы до искусственных хромосом человека, которые были впервые разработаны в 1997. HAC полезны в исследованиях экспрессии как передача гена векторов, как инструмент для выяснения функции хромосом человека, и как метод для активного аннотирования человеческий геном.[5]

История

ВАК были впервые построены de novo в 1997 году путем добавления альфа-сателлитной ДНК к теломерной и геномной ДНК человека HT1080 клетки. Это привело к совершенно новому микрохромосома которые содержали интересующую ДНК, а также элементы, позволяющие ей быть структурно и митотически стабильной, такие как теломерные и центромерные последовательности.[6] Из-за сложности de novo При формировании ВАК от этого метода в значительной степени отказались.

Методы строительства

В настоящее время существуют две общепринятые модели создания векторов искусственных хромосом человека. Первый - создать небольшой минихромосома путем изменения естественной хромосомы человека. Это достигается путем усечения естественной хромосомы с последующим введением уникального генетического материала через Cre-Lox система рекомбинации. Второй метод предполагает буквальное создание новой хромосомы. de novo.[7] Прогресс в отношении de novo Образование HAC было ограничено, так как многие крупные фрагменты генома не могут успешно интегрироваться в de novo векторы.[5] Еще один фактор, ограничивающий de novo формирование вектора - это ограниченные знания о том, какие элементы требуются для построения, в частности центромерный 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 2.4 Ген дистрофина Mb, в котором мутация является ключевым причинным элементом Мышечная дистрофия Дюшенна. Полученный HAC был митотически стабильным и правильно экспрессировал дистрофин у химерных мышей. Предыдущие попытки правильно выразить дистрофин потерпели неудачу. Из-за своего большого размера он никогда ранее не был успешно интегрирован в вектор.[9]

В 2010 году было сообщено об усовершенствованной искусственной хромосоме человека под названием 21HAC. 21HAC основан на разрезанной копии хромосомы 21 человека, производящей хромосому 5 Мб в длину. Усечение хромосомы 21 привело к созданию искусственной хромосомы человека, которая была митотически стабильной. 21HAC также мог переноситься в клетки различных видов (мыши, куры, люди). Используя 21HAC, исследователи смогли вставить ген, кодирующий тимидинкиназу вируса простого герпеса, в опухолевые клетки. Этот «суицидный ген» необходим для активации многих противовирусных препаратов. Эти опухолевые клетки-мишени были успешно и избирательно 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 путем усечения хромосомы 14. Затем был введен генетический материал с использованием Cre-Lox рекомбинация система. В этом конкретном исследовании основное внимание уделялось изменениям уровней экспрессии за счет удаления частей существующей геномной ДНК. Оставив существующие теломерные и субтеломерные последовательности, исследователи смогли увеличить уровни экспрессии генов, кодирующих продукцию эритропоэтина, более чем в 1000 раз. Эта работа также имеет большое значение для генной терапии, поскольку эритропоэтин контролирует образование красных кровяных телец.[11]

HAC были использованы для создания трансгенные животные для использования в качестве животных моделей болезней человека и для производства терапевтических продуктов.[4]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Като М., Аябе Ф, Нориканэ С., Окада Т., Масумото Х., Хорике С., Шираёси Ю., Осимура М. (август 2004 г.). «Создание нового вектора искусственной хромосомы человека для доставки генов». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 321 (2): 280–90. Дои:10.1016 / j.bbrc.2004.06.145. PMID  15358173.
  2. ^ а б Граймс Б.Р., Роудс А.А., Уиллард Х.Ф. (июнь 2002 г.). «Альфа-сателлитная ДНК и состав вектора влияют на скорость образования искусственных хромосом человека». Молекулярная терапия. 5 (6): 798–805. Дои:10.1006 / mthe.2002.0612. PMID  12027565.
  3. ^ Mejía JE, Willmott A, Levy E, Earnshaw WC, Larin Z (август 2001 г.). «Функциональное дополнение генетического дефекта искусственными хромосомами человека». Американский журнал генетики человека. 69 (2): 315–26. Дои:10.1086/321977. ЧВК  1235305. PMID  11452360.
  4. ^ а б Куприна Н., Эрншоу В.К., Масумото Н., Ларионов В. (апрель 2013 г.). «Новое поколение искусственных хромосом человека для функциональной геномики и генной терапии». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 70 (7): 1135–48. Дои:10.1007 / s00018-012-1113-3. ЧВК  3522797. PMID  22907415.
  5. ^ а б Басу Дж., Компителло Дж., Стромберг Дж., Уиллард Х. Ф., Ван Боккелен Дж. (Июль 2005 г.). «Эффективная сборка искусственных хромосом человека de novo из крупных геномных локусов». BMC Biotechnology. 5: 21. Дои:10.1186/1472-6750-5-21. ЧВК  1182356. PMID  15998466.
  6. ^ Харрингтон Дж. Дж., Ван Боккелен Дж., Мэйс Р. У., Густашоу К., Уиллард Х. Ф. (апрель 1997 г.). «Формирование центромер de novo и создание искусственных микрохромосом человека первого поколения». Природа Генетика. 15 (4): 345–55. Дои:10.1038 / ng0497-345. PMID  9090378.
  7. ^ Какеда М., Хирацука М., Нагата К., Куроива Ю., Какитани М., Катох М., Осимура М., Томидзука К. (май 2005 г.). «Вектор искусственной хромосомы человека (НАС) обеспечивает долгосрочную терапевтическую экспрессию трансгена в нормальных первичных фибробластах человека». Генная терапия. 12 (10): 852–6. Дои:10.1038 / sj.gt.3302483. PMID  15750614.
  8. ^ Logsdon, Glennis A .; Gambogi, Craig W .; Лисковых, Михаил А .; Барри, Эвелин Дж .; Ларионов, Владимир; Мига, Карен Х .; Хойн, Патрик; Блэк, Бен Э. (25.07.2019). «Искусственные хромосомы человека, обходящие центромерную ДНК». Ячейка. 178 (3): 624–639.e19. Дои:10.1016 / j.cell.2019.06.006. ISSN  0092-8674. ЧВК  6657561. PMID  31348889.
  9. ^ Хошия Х, Кадзуки Й., Абэ С., Такигути М., Кадзитани Н., Ватанабе Й, Ёсино Т., Шираёси И., Хигаки К., Мессина Г., Коссу Г., Осимура М. (февраль 2009 г.). «Высокостабильная и неинтегрированная искусственная хромосома человека (HAC), содержащая полный ген дистрофина человека размером 2,4 Mb». Молекулярная терапия. 17 (2): 309–17. Дои:10.1038 / мт.2008.253. ЧВК  2835068. PMID  19034264.
  10. ^ Кадзуки Й, Хошия Х, Такигути М, Абэ С., Иида Й, Осаки М, Катох М, Хирацука М, Шираёси Й, Хирамацу К., Уэно Э, Кадзитани Н., Йошино Т, Кадзуки К., Исихара С, Такехара С., Цудзи С. , Эдзима 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. ЧВК  3125098. PMID  21085194.
  11. ^ Kakeda M, Nagata K, Osawa K, Matsuno H, Hiratsuka M, Sano A, Okazaki A, Shitara S, Nishikawa S, Masuya A, Hata T, Wako S, Osaki M, Kazuki Y, Oshimura M, Tomizuka K (ноябрь 2011 г.) ). «Новая векторная система искусственной хромосомы человека (НАС) на основе хромосомы 14 для эффективной экспрессии трансгена в первичных клетках человека». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 415 (3): 439–44. Дои:10.1016 / j.bbrc.2011.10.088. PMID  22051050.