Siirtogeeniset eläimet

Siirtogeeniset eläimet ovat eläimiä, joilla on geeni joltakin toiselta yksilöltä. Siirtogeenisten eläinten avulla tutkitaan yleensä vaikutuksia, joita geenituotteilla on kun niitä ilmenee tavallista suurempia määriä tai niitä on normaalia poikkeavassa kudoksessa. Siirretty geneettinen materiaali voi olla peräisin joko samasta tai eri lajista. Materiaali voi myös olla muuntelematon tai muunnettu ja siinä voi olla joko yksi tai useampia geenejä. Siirretyssä geneettisessä materiaalissa voi myös ilmetä erilaisia geenisäätelyalueita.
Geeniteknisillä menetelmillä voidaan muokata nykyään kaikkia tuotantoeläinryhmiä hyönteisistä nisäkkäisiin. Kaikista tärkeimmistä kotieläinlajeista on tuotettu useita siirtogeenisiä eläimiä ja linjoja eri tarkoituksiin. Suomen tunnetuimpana siirtogeenisenä eläimenä voidaan pitää 1990-luvun Huomen-lehmää, jonka kaikkia elämän vaiheita seurattiin mediassa.

Geeninsiirto ja lisääntymisbiologiset menetelmät

Menetelmät, joilla DNA:ta siirretään keinotekoisesti soluun, voidaan luokitella neljään ryhmään: biologiset, mekaaniset, sähköiset ja kemialliset. Biologisia menetelmiä ovat esimerkiksi viljeltyjen alkion kantasolujen käyttö sekä retrovirusvälitteinen geenien siirto. Mekaanisia menetelmiä ovat esimerkiksi mikroinjektio, paineen käyttö sekä partikkelipommitus. Elektroporaatio perustuu sähköisten pulssien käyttöön ja kemialliset tekniikat perustuvat yleensä DNA:n kykyyn muodostaa komplekseja positiivisesti varautuneiden polymeerien kanssa.

Banaanikärpäsen geeninsiirto

Banaanikärpäsessä geeninsiirto tapahtuu P-elementtien avulla. Nämä ovat banaanikärpäsen soluissa luonnostaan olevia "hyppiviä DNA-alueita", joita kutsutaan myös transposoneiksi. Ne liikkuvat genomissa ja integroituvat minne tahansa perimässä hyppäämiseen tarvittavan transposaasi-entsyymin avulla. P-elementtiin liitetään tutkittava geeni säätelyalueineen. Siirrettävä DNA ruiskutetaan yhdessä transposaasin kanssa varhaisalkioon eli synsytiaaliseen blastodermiin, jossa se kulkeutuu kaikkiin alkion soluihin. Pysyvä integraatio DNA:han tapahtuu vain ituradan soluissa, joiden kautta P-elementti siirtyy seuraavaan sukupolveen. Seuraavassa sukupolvessa P-elementtiin kytketyn ominaisuuden, esimerkiksi silmien värin, avulla valitaan kärpäslinjat, joissa siirtogeenin integraatio genomiin on tapahtunut. Siirtogeenisia genomeja on käytetty paljon korjaamaan spontaaneja geenimutaatioita tuomalla normaali geeni takaisin perimään.

Merkkigeenien käyttö siirtogeenisissä eläimissä

Siirtogeenisillä eläimillä tutkitaan myös geenien säätelyalueiden toimintaa, jolloin geenin säätelyalueeseen liitetyn merkkigeenin avulla seurataan säätelyalueen aktiivisuutta sikiön kehityksen aikana sekä erilaistuneissa kudoksissa. Useimmiten käytettyjä merkkigeenejä ovat bakteeriperäistä β-galaktosidaasia tai meduusan vihreää fluerosoivaa proteiinia (green fluorescent protein, Gfp) tuottavat geenit. β-galaktosidaasi-entsyymi tunnistetaan alkioista tai kudosleikkeistä käsittelemällä näytteitä entsyymin substraatilla (X-gal), jolloin entsyymi muodostaa substraatista sinisen sakan. Gfp-merkkigeenin ilmentyminen havaitaan fluoresenssimikroskoopin avulla.

Hiiri siirtogeenisenä eläinmallina

Siirtogeenistä tulee periytyvä, jos se siirtyy eläimen sukusoluihin. Esimerkiksi banaanikärpäsestä, seeprakalasta, kanasta, hiirestä, rotasta, lehmästä, lampaasta ja vuohesta on tehty tällaisia periytyviä siirtogeenisiä muunnoksia. Eniten käytetty siirtogeeninen eläinmalli on hiiri. Tällöin tutkittava siirtogeeni ruiskutetaan hiiren hedelmöittyneen munasolun toiseen esitumaan ohuella lasineulalla. Siirretty geeni yhdistyy perimään ei-homologisella rekombinaatiolla eli sattumanvaraisella mekanismilla, jota ei täysin tunneta. Geenit siirretään hiireen ruiskuttamalla ohuella lasineulalla DNA-molekyylejä hedelmöittyneen munasolun toisen haploidin esitumaan. Siirretty DNA liittyy pysyvästi hiiren perimään yleensä varsin hyvällä todennäköisyydellä (10-30%). Usein perimään liittyy siirretystä geenistä useampi kopio peräkkäin. Seuraavaksi munasolut siirretään kantajanaaraaseen kehittymään. Syntymän jälkeen siirtogeenin läsnäolo ja kopioiden lukumäärä jälkeläisten perimässä varmistetaan erilaisia DNA-menetelmiä käyttäen. Suurin osa perimän DNA-ketjusta ei sisällä informaatiota geenituotteista. Jotta siirrettävä geeni ei aiheuttaisi muutoksia perimän omissa geeneissä, tapahtuu siirrettävän geenin integraatio yleensä geenien väliselle alueelle. Kromatiini vaikuttaa paljon geenien ilmentymistasoon. Kromatiinissa on rakenteeltaan ”avoimia” eli transkiptionaalisesti aktiivisia ja ”suljettuja” eli inaktiivisia alueita. Joten siirtogeenin integraatiokohdalla on suuri merkitys sen ilmentymistasolle. Ympäröivän kromatiinin vaikutus voidaan välttää liittämällä ilmennettävän geenin yhteyteen riittävän kattava säätelyalue, joka sisältää kaikki geenin ilmentymiseen tarvittavat DNA-elementit. Tällöin siirtogeeni kykenee vaikuttamaan omaan kromatiinirakenteeseensa normaalin geenin tapaan.

Muut siirtogeeniset eläimet

Ensimmäinen elintarvikkeeksi hyväksytty geenimuunneltu eläin oli AquaBounty Technologiesin vuonna 2015 kehittämä AquAdvantage-lohi.
Siirtogeenisiä nisäkkäitä on tuotettu pääasiassa kolmella eri menetelmällä: mikroinjektiolla, alkion kantasolujen avulla sekä virusvälitteisesti. Yksinkertaisin ja suhteellisen tehokas menetelmä siirtää DNA:ta soluun on mikroinjektio. Se on ollut myös käytetyin menetelmä siirtogeenisten eläinten tuottamisessa. Mikroinjektiossa yhdistelmägeeniä sisältävä liuos ruiskutetaan hedelmöitetyn munasolun esitumaan. Mikroinjektiota varten tarvitaan munasolujen luovuttajiksi 5-50 elävää eläintä yhtä tuotettua siirtogeenistä eläintä kohti. Siirtogeenisellä perustajaeläimellä pitää tuottaa tyypillisesti useampi sukupolvi jälkeläisiä, ja kaikki jälkeläiset pitää seuloa siirtogeenin suhteen. Siirtogeeni kiinnittyy tyypillisesti vain toiseen kromosomiin. Tämän vuoksi ensimmäisen polven siirtogeenisen yksilön jälkeläisistä vain joka toisessa on siirtogeeni.
Sika on kotieläimistä käytetyin geeninsiirtojen kohteena. Syynä tähän on sen lyhyt lisääntymiskierto, koska sian tiineys kestää vain vajaat 4 kuukautta, suuri pahnuekoko (kerralla syntyy 8-12 porsasta) sekä ennen kaikkea se, että sika muistuttaa fysiologialtaan eniten ihmistä mikä tekee sioista houkuttelevia malleja erilaisiin biolääketieteellisiin sovellutuksiin.
Siirtogeenitekniikoiden soveltaminen linnuilla on huomattavasti vaikeampaa kuin esimerkiksi kaloilla tai nisäkkäillä. Syynä tähän on se, ettei linnun alkion yksisoluvaihetta pääse helposti käsittelemään. Munasolu itsessään on hyvin hauras, ja hedelmöityksen jälkeen se kulkee noin vuorokauden lisääntymiskanavassa kasvattaen ympärilleen valkuaismassaa ja kuorta. Munintahetkellä kanan alkio koostuu jo noin 30 000–60 000 solusta. Myös linnuilla siirtogeenitekniikoiden kehittämisen suurin haaste on yhdistelmägeenin siirtämisen tarkentaminen niin, että geeni toimisi juuri toivotulla tavalla kohde-eläimessä.
Myös kaloja hyödynnetään monissa siirtogeenisissä tutkimuksissa. Niiden avulla voidaan tutkia muun muassa eri ympäristötekijöiden, kuten esimerkiksi saasteiden vaikutuksia eri sairauksiin.
Siirtogeenisten eläinten avulla on saatu paljon tärkeää informaatiota niin ihmisten kuin eläintenkin elimistön toiminnasta. Siirtogeenisistä eläimistä on muun muassa ollut apua tutkittaessa immuniteettia ja tulehdusvastetta sekä hermoston toimintaa.