Geneetiliselt muundatud hiir

Geneetiliselt muundatud hiir ehk transgeenne hiir on koduhiir, kelle genoomi on muudetud, kasutades geenitehnoloogiat. Geneetiliselt muundatud hiired on laialdaselt kasutuses teadustöö jaoks ning tihti ka loommudelina inimhaiguste jaoks.

Lühiülevaade

Hiire tugevaim eelis võrreldes teiste mudelorganismidega, nagu varbussid (Caenorhabditis elegans) ja äädikakärbsed (Drosophila melanogaster), on see, et selline imetajamudel on suuresti võrreldav inimese elundkondade, kudede, füsioloogilise süsteemi ja isegi käitumuslike tunnustega. Peale selle kannab hiir peaaegu kõiki geene, mis on olemas ka inimesel. Ta annab võimaluse mõista genotüübi-fenotüübi suhet, mis on oluline, et eristada inimestel esinevate geenide bioloogilisi rolle. Võrreldes teiste imetajatega, nagu rott, jänes ja siga, on hiire eeliseks sadade geneetiliselt homogeensete tüvede saadavus ning paremad võimalused modifitseerida sugurakkude liini geene. Need eelised tulenevad sellest, et hiiri on kerge aretada ja neid on võimalik kasvatada suurtes hulkades, mis teeb nende ülalpidamise taskukohaseks.

Ajalugu

1974. aastal lõi Rudolf Jaenisch esimese geneetiliselt muundatud looma, sisestades DNA viiruse varajases arengujärgus hiire embrüosse, näitamaks, et sisestatud geenid olid kõikides rakkudes olemas. Sellegipoolest ei andnud hiired transgeeni edasi oma järglastele ning selle eksperimendi mõju ja rakendatavus olid järelikult piiratud. 1981. aastal süstiti puhastatud DNA hiire embrüosse, kasutades ära 1960ndatel ja 1970ndatel Brinsteri arendatud tehnikaid, näitamaks geneetilise materjali edastamist edasistele generatsioonidele. Seda tehnikat rakendasid Frank Ruddle Yale’ist, Frank Constantini ja Elizabeth Lazy Oxfordist, Ralph Brinster ja Richard Palmiter koostöös Pennsylvania Ülikooli ja Washingtoni Ülikooliga. Palmiter ja Brinster arendasid ja juhtisid 1980ndate alguses transgeneesi valdkonda, mis täiustas algelise modifikatsiooni meetodeid ja kasutas tehnikaid selgitamaks geenide aktiivsust ja funktsiooni viisil, mis polnud võimalik enne nende unikaalset lähenemist.

Meetodid

Geneetiliselt muundatud hiirte saamiseks on olemas kaks peamist tehnilist lähenemist. Esimeseks viisiks on DNA süstimine pronukleusse. See meetod põhineb lineaarse DNA sisseviimisel viljastatud munarakkude kromosoomidesse. Võõr-DNA peab integreeruma genoomi enne geneetilise materjali kahekordistumist, mis eelneb esimesele lõigustumisele. See on vajalik selleks, et sündinud loomal oleks igas rakus koopiat uuest geneetilisest informatsioonist. Emas- ja isasloomade pronukleused on individuaalselt vaadeldavad tavalise valgusmikroskoobi all mitu tundi pärast seemneraku sisenemist munarakku. Nad ei ole sel hetkel veel kokku sulandunud sügoodiks. Võõr-DNA võib olla sisestatud mõlemasse pronukleusse, kuigi tavaliselt süstitakse nukleiinhape isaslooma pronukleusse, kuna see on natuke suurem ja ootsüüdi pinnale lähemal. Neid embrüoid kantakse järjestikuselt üle retsepientlooma emakasse. See meetod loob transgeense hiire ja seda kasutatakse uue geneetilise informatsiooni sisestamiseks hiire genoomi või endogeensete geenide üleekspresseerimiseks.
Teiseks viisiks, mille rajasid Oliver Smithies ja Mario Capecchi, on embrüonaalsete tüvirakkude modifitseerimine DNA konstruktiga, mis sisaldab märklaudgeeniga homoloogset DNA järjestust. Embrüonaalsed tüvirakud on pärit blastotsüstide (varajane embrüo) sisemiste rakkude massist. Need rakud on pluripotentsed, mis tähendab, et nad saavad areneda peaaegu igasugusteks koetüüpideks. Embrüonaalseid tüvirakke kasutatakse täpsemaks hiire genoomi modifitseerimiseks. See tehnika võimaldab sisestada, eemaldada või muuta DNA järjestust. Selle meetodiga saab toota knock-out, knock-in ning muid mutantseid hiiri. Esmalt on vaja eemaldada embrüonaalsed tüvirakud blastotsüstist ning sisestada tüvirakkudesse DNA. Seejärel, kui nukleiinhape on sisestatud, kloonitakse ja valitakse välja sellised embrüonaalsed tüvirakkude kloonid, milles on toimunud sait-spetsiifiline rekombinatsioon. Pärast geneetiliselt muundatud embrüonaalsete tüvirakkude süstimist blastotsüsti faasis olevasse embrüosse toimub rakkude jagunemine ning nad saavad osaks embrüost. Saadud kimäärsed hiired kannavad rekombinantset genotüüpi edasi oma järglastele, kui see muutus on toimunud sugurakkudes. Seda meetodit saab kasutada ühe geeni manipuleerimiseks, mis enamikul juhtudel tõrjuvad välja märklaudgeeni, kuigi toimuda võivad ka kergemad geneetilised manipulatsioonid (näiteks muutub ainult üks nukleotiid).

Kasutusalad

Geneetiliselt muundatud hiiri kasutatakse laialdaselt uuringutes inimhaiguste mudelitena. Kõige tavalisem transgeense hiire tüüp on knock-out-hiir, kellel on välja lülitatud üks või mõnel juhul mitu geeni. Neid on kasutatud selleks, et uurida ja modelleerida ülekaalulisust, südamehaigusi, diabeeti, artriiti, mõnuainete liigtarvitamist, ärevust, vananemist, Parkinsoni tõbe ja Alzheimeri tõbe.

Transgeenne hiir ja vähk

Transgeensed hiired, keda on loodud kandma kloonitud onkogeene, ning knock-out hiired, kellel puuduvad kasvajaid allasuruvad geenid, on olnud headeks inimestel esinevate vähktõveliikide mudeliteks. Onkohiired on loomad, keda on geneetiliselt muundatud spetsiifilise onkogeeni sisseviimisel hiire organismi. Aktiveeritud onkogeen suurendab hiire tundlikkust vähile. Selliseid onkohiiri, kes katavad suure hulga vähitüüpe, mis mõjutavad enamikku elundeid, on aretatud sadu. Neid onkogeene on edasi täiustatud, muutes need sarnasemaks inimestel esinevate vähitüüpidega. Haiguse sümptomeid ja võimalikke ravimeid või ravimooduseid saab testida nende hiiremudelite peal.

Transgeenne hiir ja kasvuhormoon

Inimese, veise või roti kasvuhormooni viimisel hiire organismi on võimalik saada hiired, kes on normaalsetega võrreldes ligi kaks korda suuremad. Näiteks ühe transgeense hiire organismi viidi kasvuhormoon, mis suurendas tema lihasmassi ja tugevust, üleekspresseerides peptiidi, nimega insuliinisarnane kasvufaktor-I (IGF-I), mis asub lihaskiudes.

Metaboolne superhiir

Mõnedel laborihiirtel muudeti geeni, mis on seotud glükoosi metabolismiga ja selle tagajärjel hakkasid hiired kiiremini jooksma, nende eluiga pikenes, tõusis seksuaalne aktiivsus ning nad said süüa rohkem kui tavalised hiired, ilma kaalu juurde võtmata. Sellistel hiirtel on PEPCK-C ensüümi kontsentratsioon lihastes 100 korda suurem kui tavalistel hiirtel. Peale selle on täheldatud, et need hiired on agressiivsemad.

Transgeenne hiir ja monokloonsed antikehad

Geneetiliselt muundatud hiirte abil on võimalik toota inimesele vajalikke monokloonseid antikehi, mis võivad olla rakenduslikult tähtsad geeniteraapias. Üks kõige paljutõotavamaid lähenemisi terapeutiliste monokloonsete antikehade valmistamisele on selliste hiiretüvede loomine, mis on projekteeritud tootma suurel hulgal inimestele mõeldud antikehi hiire enda antikehade puudumisel. Selliseid transgeenseid hiiri on aretatud inimese immunoglobuliini (antikehade) lookuste lõikude sisseviimisel sellistesse hiireliinidesse, kellel puuduvad hiirele omased antikehi tootvad geenid. Need geneetiliselt muundatud hiired toodavad suurtes kogustes terviklikke inimese antikehi, mis antigeenidega immuniseerides tekitavad antigeen-spetsiifilisi inimese monokloonseid antikehi.