Человеческая искусственная хромосома

( Искусственная хромосома человека HAC ) — это микрохромосома , которая может действовать как новая хромосома в популяции клеток человека . То есть вместо 46 хромосом клетка может иметь 47, причем 47-я будет очень маленькой, размером примерно 6–10 мегабаз (МБ) вместо 50–250 МБ для естественных хромосом и способна нести новые гены, введенные исследователями-человеками. . В идеале исследователи могли бы интегрировать разные гены, выполняющие различные функции, включая защиту от болезней .

Альтернативные методы создания трансгенов , такие как использование искусственных хромосом дрожжей и искусственных бактериальных хромосом , приводят к непредсказуемым проблемам. Генетический материал, введенный этими векторами, не только приводит к разным уровням экспрессии, но и вставки также нарушают исходный геном. ^[1] В этом отношении HAC различаются, поскольку представляют собой совершенно отдельные хромосомы. Такое отделение от существующего генетического материала предполагает, что инсерционные мутанты не возникнут. ^[2] Эта стабильность и точность делают HAC предпочтительными по сравнению с другими методами, такими как вирусные векторы , YAC и BAC. ^[3] HAC позволяют доставлять больше ДНК (включая промоторы и вариации числа копий ), чем это возможно с помощью вирусных векторов. ^[4]

Дрожжевые искусственные хромосомы и бактериальные искусственные хромосомы были созданы раньше искусственных хромосом человека, которые были впервые разработаны в 1997 году . HAC полезны в исследованиях экспрессии в качестве переноса генов векторов , как инструмент для выяснения функции хромосом человека и как метод активного аннотирования генома человека . ^[5]

История

HAC были впервые созданы de novo в 1997 году путем добавления альфа-сателлитной ДНК к теломерной и геномной ДНК в клетках человека HT1080 . В результате появилась совершенно новая микрохромосома , содержащая интересующую ДНК, а также элементы, позволяющие ей быть структурно и митотически стабильной, такие как теломерные и центромерные последовательности. ^[6] Из-за сложности формирования HAC de novo от этого метода практически отказались.

Методы строительства

В настоящее время существуют две общепринятые модели создания векторов искусственных хромосом человека. Первый — создать небольшую минихромосому путем изменения естественной хромосомы человека. Это достигается путем усечения естественной хромосомы с последующим введением уникального генетического материала посредством Cre-Lox системы рекомбинации . Второй метод предполагает буквальное создание новой хромосомы de novo . ^[7] Прогресс в формировании HAC de novo ограничен, поскольку многие крупные геномные фрагменты не могут успешно интегрироваться в de novo . векторы ^[5] Другим фактором, ограничивающим образование векторов de novo, является ограниченное знание того, какие элементы необходимы для конструирования, в частности центромерных последовательностей. ^[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 фрагменты генома. Исследователи внедрили ген дистрофина размером 2,4 Мб, мутация в котором является ключевым причинным элементом мышечной дистрофии Дюшенна . Полученный HAC был митотически стабильным и правильно экспрессировал дистрофин у химерных мышей. Предыдущие попытки правильно экспрессировать дистрофин не увенчались успехом. Из-за своего большого размера его еще никогда не удалось успешно интегрировать в вектор. ^[9]

В 2010 году сообщалось об усовершенствованной искусственной человеческой хромосоме под названием 21HAC. 21HAC основан на расщепленной копии человеческой хромосомы 21, в результате чего образуется хромосома длиной 5 МБ. Усечение хромосомы 21 привело к созданию искусственной хромосомы человека, которая была митотически стабильной. 21HAC также удалось перенести в клетки различных видов (мышей, кур, человека). Используя 21HAC, исследователи смогли вставить ген, кодирующий тимидинкиназу вируса простого герпеса, в опухолевые клетки. Этот «ген суицида» необходим для активации многих противовирусных препаратов. Эти целевые опухолевые клетки были успешно и избирательно уничтожены противовирусным препаратом ганцикловиром 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, усекая хромосому 14. Затем генетический материал был введен с помощью системы рекомбинации Cre-Lox . Это конкретное исследование было сосредоточено на изменении уровней экспрессии за счет сохранения частей существующей геномной ДНК. Оставив существующие теломерные и субтеломерные последовательности, исследователи смогли повысить уровень экспрессии генов, кодирующих выработку эритропоэтина, более чем в 1000 раз. Эта работа также имеет большое значение для генной терапии, поскольку эритропоэтин контролирует образование эритроцитов. ^[11]

HAC использовались для создания трансгенных животных для использования в качестве животных моделей заболеваний человека и для производства терапевтических продуктов. ^[4]

См. также

Ссылки

^ Като М., Аябе Ф., Норикане С., Окада Т., Масумото Х., Хорике С., Сираёши Ю., Осимура М. (август 2004 г.). «Создание нового вектора искусственной хромосомы человека для доставки генов». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 321 (2): 280–90. дои : 10.1016/j.bbrc.2004.06.145 . ПМИД 15358173 .
^ Jump up to: ^а ^б Граймс Б.Р., Роудс А.А., Уиллард Х.Ф. (июнь 2002 г.). «Альфа-сателлитная ДНК и состав векторов влияют на скорость образования искусственных хромосом человека» . Молекулярная терапия . 5 (6): 798–805. дои : 10.1006/mthe.2002.0612 . ПМИД 12027565 .
^ Мехиа Дж. Э., Уиллмотт А., Леви Э., Эрншоу В. К., Ларин З. (август 2001 г.). «Функциональное дополнение генетического дефекта искусственными хромосомами человека» . Американский журнал генетики человека . 69 (2): 315–26. дои : 10.1086/321977 . ПМЦ 1235305 . ПМИД 11452360 .
^ Jump up to: ^а ^б Куприна Н., Эрншоу В.К., Масумото Х., 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 . ПМЦ 3522797 . ПМИД 22907415 .
^ Jump up to: ^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» . БМК Биотехнология . 5:21 . дои : 10.1186/1472-6750-5-21 . ПМЦ 1182356 . ПМИД 15998466 .
^ Харрингтон Дж. Дж., Ван Боккелен Дж., Мэйс Р.В., Густашоу К., Уиллард Х.Ф. (апрель 1997 г.). «Формирование центромер de novo и конструирование искусственных микрохромосом человека первого поколения». Природная генетика . 15 (4): 345–55. дои : 10.1038/ng0497-345 . ПМИД 9090378 . S2CID 9150827 .
^ Какеда М., Хирацука М., Нагата К., Куроива Ю., Какитани М., Като М., Осимура М., Томизука К. (май 2005 г.). «Вектор искусственной хромосомы человека (HAC) обеспечивает долгосрочную терапевтическую экспрессию трансгена в нормальных первичных фибробластах человека» . Генная терапия . 12 (10): 852–6. дои : 10.1038/sj.gt.3302483 . ПМИД 15750614 .
^ Логсдон, Гленнис А.; Гамбоги, Крейг В.; Лисковых Михаил А.; Барри, Эвелин Дж.; Ларионов Владимир; Мига, Карен Х .; Хын, Патрик; Блэк, Бен Э. (25 июля 2019 г.). «Человеческие искусственные хромосомы, обходящие центромерную ДНК» . Клетка . 178 (3): 624–639.e19. дои : 10.1016/j.cell.2019.06.006 . ISSN 0092-8674 . ПМК 6657561 . PMID 31348889 .
^ Хосия Х, Казуки Ю, Абэ С, Такигучи М, Кадзитани Н, Ватанабэ Ю, Ёсино Т, Сираёси Ю, 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 Мб» . Молекулярная терапия . 17 (2): 309–17. дои : 10.1038/mt.2008.253 . ПМК 2835068 . ПМИД 19034264 .
^ Кадзуки Й, Хосия Х, Такигучи М, Абэ С, Иида Й, Осаки М, Като М, Хирацука М, Сираёши Й, Хирамацу К, Уэно Э, Кадзитани Н, Ёсино 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 . ПМК 3125098 . ПМИД 21085194 .
^ Какеда М, Нагата К, Осава К, Мацуно Х, Хирацука М, Сано А, Оказаки А, Ситара С, Нисикава С, Масуя А, Хата Т, Вако С, Осаки М, Кадзуки Ю, Осимура М, Томизука К (ноябрь 2011 г.) ). «Новая векторная система искусственной хромосомы человека (HAC) на основе хромосомы 14 для эффективной экспрессии трансгена в первичных клетках человека». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 415 (3): 439–44. дои : 10.1016/j.bbrc.2011.10.088 . ПМИД 22051050 .

[1] Като М., Аябе Ф., Норикане С., Окада Т., Масумото Х., Хорике С., Сираёши Ю., Осимура М. (август 2004 г.). «Создание нового вектора искусственной хромосомы человека для доставки генов». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 321 (2): 280–90. дои : 10.1016/j.bbrc.2004.06.145 . ПМИД 15358173 .

[Grimes_2002_798–805-2] Jump up to: ^а ^б Граймс Б.Р., Роудс А.А., Уиллард Х.Ф. (июнь 2002 г.). «Альфа-сателлитная ДНК и состав векторов влияют на скорость образования искусственных хромосом человека» . Молекулярная терапия . 5 (6): 798–805. дои : 10.1006/mthe.2002.0612 . ПМИД 12027565 .

[3] Мехиа Дж. Э., Уиллмотт А., Леви Э., Эрншоу В. К., Ларин З. (август 2001 г.). «Функциональное дополнение генетического дефекта искусственными хромосомами человека» . Американский журнал генетики человека . 69 (2): 315–26. дои : 10.1086/321977 . ПМЦ 1235305 . ПМИД 11452360 .

[pmid22907415-4] Jump up to: ^а ^б Куприна Н., Эрншоу В.К., Масумото Х., 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 . ПМЦ 3522797 . ПМИД 22907415 .

[pmid15998466-5] Jump up to: ^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» . БМК Биотехнология . 5:21 . дои : 10.1186/1472-6750-5-21 . ПМЦ 1182356 . ПМИД 15998466 .

[Formation-6] Харрингтон Дж. Дж., Ван Боккелен Дж., Мэйс Р.В., Густашоу К., Уиллард Х.Ф. (апрель 1997 г.). «Формирование центромер de novo и конструирование искусственных микрохромосом человека первого поколения». Природная генетика . 15 (4): 345–55. дои : 10.1038/ng0497-345 . ПМИД 9090378 . S2CID 9150827 .

[7] Какеда М., Хирацука М., Нагата К., Куроива Ю., Какитани М., Като М., Осимура М., Томизука К. (май 2005 г.). «Вектор искусственной хромосомы человека (HAC) обеспечивает долгосрочную терапевтическую экспрессию трансгена в нормальных первичных фибробластах человека» . Генная терапия . 12 (10): 852–6. дои : 10.1038/sj.gt.3302483 . ПМИД 15750614 .

[8] Логсдон, Гленнис А.; Гамбоги, Крейг В.; Лисковых Михаил А.; Барри, Эвелин Дж.; Ларионов Владимир; Мига, Карен Х .; Хын, Патрик; Блэк, Бен Э. (25 июля 2019 г.). «Человеческие искусственные хромосомы, обходящие центромерную ДНК» . Клетка . 178 (3): 624–639.e19. дои : 10.1016/j.cell.2019.06.006 . ISSN 0092-8674 . ПМК 6657561 . PMID 31348889 .

[Dystrophin-9] Хосия Х, Казуки Ю, Абэ С, Такигучи М, Кадзитани Н, Ватанабэ Ю, Ёсино Т, Сираёси Ю, 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 Мб» . Молекулярная терапия . 17 (2): 309–17. дои : 10.1038/mt.2008.253 . ПМК 2835068 . ПМИД 19034264 .

[10] Кадзуки Й, Хосия Х, Такигучи М, Абэ С, Иида Й, Осаки М, Като М, Хирацука М, Сираёши Й, Хирамацу К, Уэно Э, Кадзитани Н, Ёсино 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 . ПМК 3125098 . ПМИД 21085194 .

[11] Какеда М, Нагата К, Осава К, Мацуно Х, Хирацука М, Сано А, Оказаки А, Ситара С, Нисикава С, Масуя А, Хата Т, Вако С, Осаки М, Кадзуки Ю, Осимура М, Томизука К (ноябрь 2011 г.) ). «Новая векторная система искусственной хромосомы человека (HAC) на основе хромосомы 14 для эффективной экспрессии трансгена в первичных клетках человека». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 415 (3): 439–44. дои : 10.1016/j.bbrc.2011.10.088 . ПМИД 22051050 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]