Γονιδιακή απενεργοποίηση

Η γονιδιακή απενεργοποίηση (ή αδρανοποίηση, ή εξουδετέρωση) (Gene knockout) (γνωστή και ως διαγραφή γονιδίου (gene deletion) ή γονιδιακή απενεργοποίηση (gene inactivation)) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική γενετικής μηχανικής που περιλαμβάνει τη στοχευμένη αφαίρεση ή απενεργοποίηση ενός συγκεκριμένου γονιδίου μέσα στο γονιδίωμα ενός οργανισμού. Αυτό μπορεί να γίνει μέσω ποικίλων μεθόδων, συμπεριλαμβανομένων τού ομόλογου ανασυνδυασμού, της CRISPR-Cas9 και των δραστικών νουκλεασών τύπου ενεργοποίησης μεταγραφής (transcription activator-like effector nuclease, TALENs).
Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των γονιδιακών αδρανοποιήσεων είναι ότι επιτρέπουν στους ερευνητές να μελετήσουν τη λειτουργία ενός συγκεκριμένου γονιδίου in vivo και να κατανοήσουν τον ρόλο του γονιδίου στη φυσιολογική ανάπτυξη και φυσιολογία καθώς και στην παθολογία των ασθενειών. Μελετώντας τον φαινότυπο του οργανισμού με το γονίδιο απενεργοποίησης, οι ερευνητές μπορούν να αποκτήσουν γνώσεις για τις βιολογικές διεργασίες στις οποίες εμπλέκεται το γονίδιο.
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι γονιδιακών αδρανοποιήσεων: πλήρης και υπό όρους. Μια πλήρης απενεργοποίηση γονιδίου απενεργοποιεί μόνιμα το γονίδιο, ενώ μια γονιδιακή απενεργοποίηση υπό όρους επιτρέπει την απενεργοποίηση και ενεργοποίηση του γονιδίου σε συγκεκριμένες στιγμές ή σε συγκεκριμένους ιστούς. Η απενεργοποίηση υπό όρους είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη μελέτη αναπτυξιακών διαδικασιών και για την κατανόηση του ρόλου ενός γονιδίου σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων ή ιστούς.
Οι γονιδιακές αδρανοποιήσεις έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλούς διαφορετικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, της μαγιάς, των μυγών φρούτων, των ψαριών-ζέβρα και των ποντικών. Στα ποντίκια, οι γονιδιακές αδρανοποιήσεις χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη της λειτουργίας συγκεκριμένων γονιδίων στην ανάπτυξη, τη φυσιολογία και την έρευνα για τον καρκίνο.
Η χρήση των γονιδιακών αδρανοποιήσεων σε μοντέλα ποντικιών ήταν ιδιαίτερα πολύτιμη στη μελέτη ανθρώπινων ασθενειών. Για παράδειγμα, γονιδιακές αδρανοποιήσεις σε ποντίκια έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του ρόλου συγκεκριμένων γονιδίων στον καρκίνο, στις νευρολογικές διαταραχές, στις διαταραχές του ανοσοποιητικού και στις μεταβολικές διαταραχές.
Ωστόσο, οι γονιδιακές αδρανοποιήσεις έχουν επίσης ορισμένους περιορισμούς. Για παράδειγμα, η απώλεια ενός μεμονωμένου γονιδίου μπορεί να μην μιμείται πλήρως τα αποτελέσματα μιας γενετικής διαταραχής και οι αδρανοποιήσεις μπορεί να έχουν ακούσιες επιπτώσεις σε άλλα γονίδια ή οδούς. Επιπλέον, οι γονιδιακές αδρανοποιήσεις δεν είναι πάντα ένα καλό μοντέλο για την ανθρώπινη ασθένεια, καθώς το γονιδίωμα του ποντικού δεν είναι πανομοιότυπο με το ανθρώπινο γονιδίωμα και η φυσιολογία του ποντικού είναι διαφορετική από τη φυσιολογία του ανθρώπου.
Η τεχνική γονιδιακών αδρανοποιήσεων (knockout, ΚΟ) είναι ουσιαστικά το αντίθετο από μια γονιδιακή ενεργοποίηση (gene knock-in). Το να χτυπάς δύο γονίδια ταυτόχρονα σε έναν οργανισμό είναι γνωστό ως διπλή απενεργοποίηση (double knockout, DKO). Παρομοίως, οι όροι τριπλή απενεργοποίηση (triple knockout, TKO) και τετραπλή απενεργοποίηση (quadruple knockouts, QKO) χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τρία ή τέσσερα γονίδια απενεργοποίησης, αντίστοιχα . Ωστόσο, πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ ετερόζυγης και ομόζυγης απενεργοποίησης. Στο πρώτο, μόνο ένα από τα δύο (αλληλόμορφα) αντίγραφα γονιδίων είναι αδρανοποιμένο, στο δεύτερο αποκλείονται και τα δύο.
Μέθοδοι
Οι αδρανοποιήσεις επιτυγχάνονται με μια ποικιλία τεχνικών. Αρχικά, ταυτοποιήθηκαν οι μεταλλάξεις που εμφανίζονται στη φύση και στη συνέχεια έπρεπε να καθοριστεί η απώλεια ή η απενεργοποίηση γονιδίων με αλληλούχιση DNA ή άλλες μεθόδους.thumb|Ένα εργαστηριακό ποντίκι στο οποίο ένα γονίδιο που επηρεάζει την ανάπτυξη της τρίχας έχει αδρανοποιηθεί (αριστερά), εμφανίζεται δίπλα σε ένα κανονικό εργαστηριακό ποντίκι.
 Γονιδιακή απενεργοποίηση με μετάλλαξη
Η γονιδιακή απενεργοποίηση με μετάλλαξη πραγματοποιείται συνήθως στα βακτήρια. Ένα πρώιμο παράδειγμα χρήσης αυτής της τεχνικής στο Escherichia coli δημοσιεύτηκε το 1989 από τους Hamilton, κ.α. Σε αυτό το πείραμα, χρησιμοποιήθηκαν δύο διαδοχικοί ανασυνδυασμοί για τη διαγραφή του γονιδίου. Αυτή η εργασία καθιέρωσε τη σκοπιμότητα της αφαίρεσης ή αντικατάστασης ενός λειτουργικού γονιδίου στα βακτήρια. Αυτή η μέθοδος αναπτύχθηκε έκτοτε για άλλους οργανισμούς, ιδιαίτερα για ζώα έρευνας, όπως τα ποντίκια. Η απενεργοποίηση ποντικιών χρησιμοποιείται συνήθως για τη μελέτη γονιδίων με ανθρώπινα ισοδύναμα που μπορεί να έχουν σημασία για την ασθένεια. Ένα παράδειγμα μελέτης που με χρήση απενεργοποίησης γονιδίων ποντικιών είναι μια διερεύνηση των ρόλων των πρωτεϊνών XIRP2 στο Σύνδρομο Αιφνίδιου Ανεξήγητου Νυχτερινού Θανάτου (SUNDS) και στο Σύνδρομο Brugada στον πληθυσμό των Κινέζων Χαν.
 Γονιδιακή σίγαση 
Για τις έρευνες γονιδιακής απενεργοποίησης, η παρεμβολή RNA (RNAi), μια πιο πρόσφατη μέθοδος, επίσης γνωστή ως γονιδιακή σίγαση, έχει κερδίσει δημοτικότητα. Στην παρεμβολή RNA (RNAi), το αγγελιαφόρο RNA για ένα συγκεκριμένο γονίδιο αδρανοποιείται χρησιμοποιώντας μικρό παρεμβαλλόμενο RNA (siRNA), ή κοντή φουρκέτα RNA (shRNA). Αυτό εμποδίζει αποτελεσματικά την έκφραση του γονιδίου. Ογκογόνα όπως το Bcl-2 και το p53, καθώς και γονίδια που συνδέονται με νευρολογικές ασθένειες, γενετικές διαταραχές και ιογενείς λοιμώξεις, έχουν όλα στοχευθεί για σίγαση γονιδίων χρησιμοποιώντας παρεμβολή RNA (RNAi).
 Ομόλογος ανασυνδυασμός 
Ο ομόλογος ανασυνδυασμός είναι η ανταλλαγή γονιδίων μεταξύ δύο αλυσίδων DNA που περιλαμβάνουν εκτεταμένες περιοχές αλληλουχιών βάσεων που είναι ταυτόσημες μεταξύ τους. Σε ευκαρυωτικά είδη, βακτήρια και ορισμένους ιούς, ο ομόλογος ανασυνδυασμός συμβαίνει αυθόρμητα και είναι ένα χρήσιμο εργαλείο στη γενετική μηχανική. Ο ομόλογος ανασυνδυασμός, ο οποίος λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της μείωσης στους ευκαρυώτες, είναι απαραίτητος για την επιδιόρθωση των θραύσεων του δίκλωνου DNA και προάγει τη γενετική παραλλαγή επιτρέποντας τη μετακίνηση της γενετικής πληροφορίας κατά τη διασταύρωση των χρωμοσωμάτων. Ο ομόλογος ανασυνδυασμός, ένας βασικός μηχανισμός επιδιόρθωσης του DNA στα βακτήρια, επιτρέπει την εισαγωγή γενετικού υλικού που αποκτάται μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων και μετασχηματισμού σε DNA. Ο ομόλογος ανασυνδυασμός σε ιούς επηρεάζει την πορεία της εξέλιξης του ιού. Ο ομόλογος ανασυνδυασμός, ένας τύπος γονιδιακής στόχευσης που χρησιμοποιείται στη γενετική μηχανική, περιλαμβάνει την εισαγωγή μιας τροποποιημένης μετάλλαξης σε ένα συγκεκριμένο γονίδιο προκειμένου να μάθουμε περισσότερα για τη λειτουργία αυτού του γονιδίου. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την εισαγωγή ξένου DNA σε ένα κύτταρο που έχει μια αλληλουχία παρόμοια με το γονίδιο-στόχο, ενώ πλαισιώνεται από αλληλουχίες που είναι οι ίδιες ανάντη και κατάντη του γονιδίου-στόχου. Το DNA του γονιδίου-στόχου αντικαθίσταται με την αλληλουχία ξένου DNA κατά τη διάρκεια της αντιγραφής όταν το κύτταρο ανιχνεύει τις παρόμοιες πλευρικές περιοχές ως ομόλογες. Το γονίδιο-στόχος απομακρύνεται από την ανταλλαγή. Με τη χρήση αυτής της τεχνικής για τη στόχευση συγκεκριμένων αλληλόμορφων σε εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα σε ποντίκια, είναι δυνατό να δημιουργηθούν ποντίκια με γονίδια απενεργοποίησης. Με τη βοήθεια της γονιδιακής στόχευσης, πολλά γονίδια ποντικών έχουν κλείσει, οδηγώντας στη δημιουργία εκατοντάδων διαφορετικών μοντέλων ποντικιών διαφόρων ανθρώπινων ασθενειών, όπως ο καρκίνος, ο διαβήτης, οι καρδιαγγειακές παθήσεις και οι νευρολογικές διαταραχές. Οι Mario Capecchi, Sir Martin J. Evans και Oliver Smithies πραγματοποίησαν πρωτοποριακή έρευνα για τον ομόλογο ανασυνδυασμό σε βλαστοκύτταρα ποντικού και μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 2007 για τα ευρήματά τους. Παραδοσιακά, ο ομόλογος ανασυνδυασμός ήταν η κύρια μέθοδος για την πρόκληση γονιδιακής απενεργοποίησης. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει τη δημιουργία μιας κατασκευής DNA που περιέχει την επιθυμητή μετάλλαξη. Για σκοπούς απενεργοποίησης, αυτό περιλαμβάνει συνήθως έναν δείκτη αντοχής στο φάρμακο στη θέση του επιθυμητού γονιδίου απενεργοποίησης. Η κατασκευή θα περιέχει επίσης τουλάχιστον 2 kb ομολογίας με την αλληλουχία του στόχου. Η κατασκευή μπορεί να παραδοθεί σε βλαστοκύτταρα είτε μέσω μικροέγχυσης, είτε μέσω ηλεκτροδιάτρησης (electroporation). Αυτή η μέθοδος στη συνέχεια βασίζεται στους μηχανισμούς επιδιόρθωσης του ίδιου του κυττάρου για να ανασυνδυάσει την κατασκευή DNA στο υπάρχον DNA. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της αλληλουχίας του γονιδίου και στις περισσότερες περιπτώσεις το γονίδιο θα μεταφραστεί σε μη λειτουργική πρωτεΐνη, εάν μεταφραστεί καθόλου. Ωστόσο, αυτή είναι μια αναποτελεσματική διαδικασία, καθώς ο ομόλογος ανασυνδυασμός αντιπροσωπεύει μόνο 10−2 έως 10−3 των ενσωματώσεων DNA. Συχνά, ο δείκτης επιλογής φαρμάκου στην κατασκευή χρησιμοποιείται για την επιλογή κυττάρων στα οποία έχει συμβεί το γεγονός του ανασυνδυασμού.
Αυτά τα βλαστοκύτταρα που τώρα δεν έχουν το γονίδιο θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν in vivo, για παράδειγμα σε ποντίκια, με την εισαγωγή τους σε πρώιμα έμβρυα. Εάν το χιμαιρικό ποντίκι που προέκυψε περιείχε τη γενετική αλλαγή στη βλαστική σειρά του, αυτή θα μπορούσε να μεταδοθεί στους απογόνους.
Σε διπλοειδείς οργανισμούς, οι οποίοι περιέχουν δύο αλληλόμορφα για τα περισσότερα γονίδια και μπορεί επίσης να περιέχουν πολλά σχετικά γονίδια που συνεργάζονται στον ίδιο ρόλο, εκτελούνται πρόσθετοι γύροι μετασχηματισμού και επιλογής μέχρι να αδρανοποιηθεί κάθε στοχευόμενο γονίδιο. Επιλεκτική αναπαραγωγή μπορεί να απαιτηθεί για την παραγωγή ομόζυγων ζώων με αδρανοποιημένα γονίδια.
 Τοποειδικές νουκλεάσες 
Δάκτυλοι ψευδαργύρου
Οι νουκλεάσες δακτύλου ψευδαργύρου αποτελούνται από τομείς δέσμευσης DNA που μπορούν να στοχεύσουν με ακρίβεια μια αλληλουχία DNA. Κάθε δάκτυλος ψευδάργυρου μπορεί να αναγνωρίσει κωδικόνια μιας επιθυμητής αλληλουχίας DNA και επομένως μπορεί να συναρμολογηθεί σπονδυλωτά για να συνδεθεί σε μια συγκεκριμένη σειρά. Αυτοί οι τομείς δέσμευσης συνδέονται με μια ενδονουκλεάση περιορισμού που μπορεί να προκαλέσει δίκλωνη θραύση (double stranded break, DSB) στο DNA. Οι διαδικασίες επιδιόρθωσης μπορεί να εισάγουν μεταλλάξεις που καταστρέφουν τη λειτουργικότητα του γονιδίου.
TALENS
Οι δραστικές νουκλεάσες τύπου ενεργοποιητή μεταγραφής (Transcription activator-like effector nucleases, TALENs) περιέχουν επίσης μια περιοχή δέσμευσης DNA και μια νουκλεάση που μπορεί να διασπάσει το DNA. Η περιοχή δέσμευσης DNA αποτελείται από επαναλήψεις αμινοξέων που η καθεμία αναγνωρίζει ένα μοναδικό ζεύγος βάσεων της επιθυμητής στοχευόμενης αλληλουχίας DNA. Εάν αυτή η διάσπαση στοχεύει σε μια περιοχή κωδικοποίησης γονιδίου και η επιδιόρθωση με τη μεσολάβηση NHEJ βάζει εισαγωγές και διαγραφές, προκύπτει συχνά μια μετάλλαξη μετατόπισης πλαισίου, διαταράσσοντας έτσι τη λειτουργία του γονιδίου.

CRISPR/Cas9

Το Σύμπλεγμα μικρών παλινδρομικών αλληλουχιών τακτικής χωροκατανομής (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR) είναι μια τεχνική γενετικής μηχανικής που επιτρέπει την ακριβή επεξεργασία του γονιδιώματος. Μια εφαρμογή του CRISPR είναι η γονιδιακή απενεργοποίηση, που περιλαμβάνει την απενεργοποίηση ή απενεργοποίηση ενός συγκεκριμένου γονιδίου σε έναν οργανισμό.
Η διαδικασία της γονιδιακής απενεργοποίησης με το CRISPR περιλαμβάνει τρία βασικά στάδια: σχεδιασμό ενός οδηγού RNA (guide RNA, gRNA) που στοχεύει μια συγκεκριμένη θέση στο γονιδίωμα, παρέχοντας το gRNA και ένα ένζυμο Cas9 (το οποίο λειτουργεί ως μοριακό ψαλίδι) στο κύτταρο-στόχο και στη συνέχεια επιτρέποντας στο κύτταρο να επιδιορθώσει την τομή στο DNA. Όταν το κύτταρο επιδιορθώνει την τομή, μπορεί είτε να ενώσει τα κομμένα άκρα μεταξύ τους, με αποτέλεσμα ένα μη λειτουργικό γονίδιο, είτε να εισάγει μια μετάλλαξη που διαταράσσει τη λειτουργία του γονιδίου.
Αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, της ζύμης, των φυτών και των ζώων, και επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν τη λειτουργία συγκεκριμένων γονιδίων παρατηρώντας τις επιπτώσεις της απουσίας τους. Η γονιδιακή απενεργοποίηση που βασίζεται στο CRISPR είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την κατανόηση της γενετικής βάσης της νόσου και για την ανάπτυξη νέων θεραπειών.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η γονιδιακή απενεργοποίηση που βασίζεται στο CRISPR, όπως κάθε τεχνική γενετικής μηχανικής, έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει ακούσιες ή επιβλαβείς επιπτώσεις στον οργανισμό, επομένως θα πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή. Το συζευγμένο Cas9 θα προκαλέσει μία δίκλωνη θραύση στο DNA. Ακολουθώντας την ίδια αρχή με τους δακτύλους ψευδαργύρου και τα TALEN, οι προσπάθειες επιδιόρθωσης αυτών των δίκλωνων θραυσμάτων έχουν ως αποτέλεσμα συχνά σε μεταλλάξεις μετατόπισης πλαισίου που καταλήγουν σε ένα μη λειτουργικό γονίδιο. Η μη επεμβατική τεχνολογία CRISPR-Cas9 έχει καταργήσει επιτυχώς ένα γονίδιο που σχετίζεται με την κατάθλιψη και το άγχος σε ποντίκια, αποτελώντας την πρώτη επιτυχημένη περίπτωση που διέρχεται από τον  αιματοεγκεφαλικό φραγμό για να επιτρέψει τη γονιδιακή τροποποίηση.
Αντικατάσταση (Knock-in)
Η γονιδιακή αντικατάσταση (knock-in) είναι παρόμοια με τη γονιδιακή απενεργοποίηση, αλλά αντικαθιστά ένα γονίδιο με ένα άλλο αντί να το διαγράψει.

Τύποι
Απενργοποιήσεις υπό όρους
Μια γονιδιακή αντικατάσταση υπό όρους επιτρέπει τη διαγραφή γονιδίου σε έναν ιστό με συγκεκριμένο τρόπο. Αυτό απαιτείται αντί για μια γονιδιακή αντικατάσταση εάν η μηδενική μετάλλαξη θα οδηγούσε σε εμβρυϊκό θάνατο, ή εάν ένας συγκεκριμένος τύπος ιστού ή κυττάρου έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Αυτό γίνεται με την εισαγωγή σύντομων αλληλουχιών που ονομάζονται θέσεις loxP γύρω από το γονίδιο. Αυτές οι αλληλουχίες θα εισαχθούν στη βλαστική γραμμή μέσω του ίδιου μηχανισμού με μία απενεργοποίηση. Αυτή η βλαστική σειρά μπορεί στη συνέχεια να διασταυρωθεί σε μια άλλη βλαστική σειρά που περιέχει Cre ανασυνδυασμάση (Cre recombinase) που είναι ένα ιικό ένζυμο που μπορεί να αναγνωρίσει αυτές τις αλληλουχίες, να τις ανασυνδυάσει και να διαγράψει το γονίδιο που πλαισιώνεται από αυτές τις θέσεις.
Γονίδια που δεν εμπλέκονται στην πρώιμη ανάπτυξη έχουν μελετηθεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας προσεγγίσεις απενεργοποίησης που χρησιμοποιούν διαγραφή γονιδίων. Ωστόσο, συνήθως δεν είναι δυνατό να εξαλειφθούν γονίδια που είναι ενεργά κατά την πρώιμη ανάπτυξη χωρίς ο οργανισμός να υποστεί θανατηφόρο αποτέλεσμα. Μια μέθοδος γύρω από αυτό είναι η απενεργοποίηση υπό όρους. Χρησιμοποιώντας μια ειδική για τοποθεσία ανασυνδυάση που ονομάζεται Cre, η αρχική τεχνική απενεργοποίησης υπό όρους ανασυνδύαζε σύντομες αλληλουχίες στόχων γνωστές ως LoxP. Από τότε, άλλες ανασυνδυάσες έχουν δημιουργηθεί και έχουν χρησιμοποιηθεί σε πειράματα απενεργοποίησης υπό όρους.
Χρήση
Οι απενεργοποιήσεις χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατανόηση του ρόλου ενός συγκεκριμένου γονιδίου ή περιοχής DNA συγκρίνοντας τον οργανισμό απενεργοποίησης με έναν άγριο τύπο με παρόμοιο γενετικό υπόβαθρο .
Οι απενεργοποιήσεις οργανισμών χρησιμοποιούνται επίσης ως εργαλεία προληπτικού ελέγχου στην ανάπτυξη φαρμάκων, για τη στόχευση συγκεκριμένων βιολογικών διεργασιών ή ανεπαρκειών χρησιμοποιώντας μια συγκεκριμένη απενεργοποίηση ή για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό δράσης ενός φαρμάκου χρησιμοποιώντας μια βιβλιοθήκη απενεργοποίησης των οργανισμών που εκτείνεται σε ολόκληρο το γονιδίωμα, όπως στους Saccharomyces cerevisiae.
Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Diagram of targeted gene replacement
 Frontiers in Bioscience Gene Knockout Database (available on archive only)
 International Knockout Mouse Consortium
 KOMP Repository



Κατηγορία:Γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί
Κατηγορία:Μοριακή γενετική
Κατηγορία:Εργαστηριακές τεχνικές
Κατηγορία:Γονιδιακή έκφραση
Κατηγορία:Βιοτεχνολογία