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導入遺伝子

導入遺伝子とは、自然に、またはある生物から別の生物に多くの遺伝子工学技術のいずれかによって移入された遺伝子または遺伝物質です。導入遺伝子の導入(「導入」と呼ばれる)は、生物の表現型を変える可能性があります。

最も正確な使用法では、 トランスジーンという用語は、ある生物から分離され、別の生物に導入される遺伝子配列を含むDNAのセグメントを表します。 DNAのこの非ネイティブセグメントは、トランスジェニック生物でRNAまたはタンパク質を産生する能力を保持するか、トランスジェニック生物の遺伝暗号の正常な機能を変える可能性があります。一般に、DNAは生物の生殖細胞系に組み込まれます。たとえば、高等脊椎動物では、受精卵の核に外来DNAを注入することでこれを達成できます。この手法は、実験室マウスの系統にヒト疾患遺伝子またはその他の目的の遺伝子を導入して、その特定の遺伝子に関連する機能または病理を研究するために日常的に使用されます。

導入遺伝子の構築には、いくつかの主要部品の組み立てが必要です。導入遺伝子には、導入遺伝子が活性化する場所と時期を決定する調節配列であるプロモーター、エクソン、タンパク質コード配列(通常、目的のタンパク質のcDNAから派生)、および停止配列が含まれている必要があります。これらは通常、細菌プラスミドに結合され、コード配列は通常、既知の機能を持つ導入遺伝子から選択されます。

トランスジェニックまたは遺伝子組み換え生物は、バクテリア、ウイルス、菌類など、あらゆる種類の研究目的に役立ちます。トランスジェニック植物、昆虫、魚、哺乳類が飼育されています。トウモロコシや大豆などのトランスジェニック植物は、一部の国(米国など)の農業で野生株に取って代わりました。 2001年以降、GMO作物の導入遺伝子の脱出が持続性と侵襲性とともに記録されています。遺伝子組み換え生物は倫理的な問題を提起し、バイオセーフティの問題を引き起こす可能性があります。

歴史

特定のニーズに合わせて生物を形作るというアイデアは新しい科学ではありません。記録された歴史の前に、動植物の選択的な繁殖が始まりました。しかし、1900年代後半まで、農民と科学者は近縁種からしか新しい植物や生物の系統を育てることができませんでした。

1970年代および1980年代に、科学者は、2つの大きく異なる種のDNAを遺伝子工学と組み合わせる手順を発明することにより、このハードルを乗り越えました。これらの手順によって生成された生物は、トランスジェニックと呼ばれました。遺伝子組み換えは、特定の目的のために細胞を形質転換するという意味で、遺伝子治療と同じです。しかし、遺伝子治療は細胞の欠陥を治すことを目的としているため、遺伝子組み換えは目的ごとに完全に異なっており、トランスジェネシスは特定のトランスジーンをすべての細胞に組み込み、ゲノムを変更することで遺伝子組み換え生物の生産を目指しています。したがって、トランスジェネシスは体細胞だけでなく生殖細胞を変化させ、生物が繁殖したときにトランスジーンが子孫に確実に伝えられるようにします。導入遺伝子は、宿主遺伝子の機能をブロックすることによりゲノムを変更します。ホスト遺伝子を異なるタンパク質をコードする遺伝子に置き換えるか、追加の遺伝子を導入できます。

アニーチャンとスタンレー・コーエンは、 大腸菌における黄色ブドウ球菌遺伝子を発現させた場合最初のトランスジェニック生物は、1974年に作成されました。 1978年、酵母細胞は遺伝子導入を受ける最初の真核生物でした。マウス細胞は1979年に最初に形質転換され、1980年にマウス胚が続きました。最初の形質転換のほとんどは、DNAを細胞に直接マイクロインジェクションすることによって行われました。科学者は、電流を利用して細胞壁に外来DNAを流す電気注入、DNA弾丸を撃つ手順であるバイオリスティックスを使用して、トランスウイルスをレトロウイルスに組み込んでから細胞に感染させるなど、形質転換を実行する他の方法を開発できましたまた、受精したばかりの卵にDNAを届けます。

最初のトランスジェニック動物は、遺伝子の特定の機能を研究するための遺伝子研究のみを目的としており、2003年までに数千の遺伝子が研究されていました。

植物での使用

トウモロコシ、大豆、菜種油、綿、米などの遺伝子組み換え作物を生産するために、農業用にさまざまなトランスジェニック植物が設計されています。 2012年現在、これらのGMO作物は世界で1億7000万ヘクタールに植えられています。

ゴールデンライス

トランスジェニック植物種の一例はゴールデンイネです。 1997年には、東南アジアだけで500万人の子供がビタミンA欠乏によって引き起こされる病状である眼球乾燥症を発症しました。それらの子供のうち、25万人が盲目でした。これに対処するために、科学者はバイオリスティクスを使用して、水仙フィトエンシンターゼ遺伝子をアジア固有のイネ栽培品種に挿入しました。水仙の挿入により、β-カロチンの生産が増加しました。製品は、ゴールデンライスと呼ばれるビタミンAが豊富なトランスジェニックイネ種でした。抗GMOキャンペーンにより、必要とされる農業システムへのゴールデンライスの完全な商業的放出が妨げられたため、眼乾燥症に対するゴールデンライスの影響についてはほとんど知られていません。

導入遺伝子エスケープ

野生の近縁種との交配による遺伝子組み換え植物遺伝子の回避は、1990年代半ばにメキシコとヨーロッパで最初に議論され、検討されました。 「発生していることの何らかの証拠」でさえ、導入遺伝子の逃避は避けられないという合意がある。 2008年まで、文書化された事例はほとんどありませんでした。

コーン

2000年にメキシコのオアハカにあるシエラフアレスから採取されたトウモロコシには、トランスジェニック35Sプロモーターが含まれていましたが、2003年と2004年に同じ地域から採取された異なるサンプルには含まれていませんでした。 2002年の別の地域のサンプルもそうではありませんでしたが、2004年に採取されたサンプルはそうであり、導入遺伝子の持続性または再導入が示唆されました。 2009年の研究では、サンプルの3.1%および1.8%で組換えタンパク質が見つかりました。最も一般的なのはメキシコ南東部です。米国からの種子と穀物の輸入は、メキシコ中西部の導入遺伝子の頻度と分布を説明できますが、南東部ではそうではありません。また、メキシコのトウモロコシ株のトウモロコシ種子ロットの5.0%は、GM作物のモラトリアムにもかかわらず組換えタンパク質を発現しました。

コットン

2011年、メキシコで15年のGMO綿栽培の後、野生の綿の中でトランスジェニック綿が発見されました。

菜種(キャノーラ)

カナダのケベックで2006年に確認された後、2011年に日本で在来種のBrassica rapaと交配されたトランスジェニックナタネBrassicus napusが発見されました。それらは、除草剤の選択圧力がなく、野生型との交雑にもかかわらず、6年間の研究期間にわたって持続的でした。これは、 Brassica napusから野生型遺伝子プールへの除草剤耐性導入遺伝子の遺伝子移入(1つの遺伝子プールから別の遺伝子プールへの遺伝子の安定した取り込み)の最初の報告でした。

クリーピングベントグラス

「最初の風受粉、多年生、および非常に異系交配のトランスジェニック作物の1つ」としてグリホサート耐性になるように設計されたトランスジェニッククリーピングベントグラスは、2003年にマドラス近くの中央オレゴンでの大規模(約160 ha)野外試験の一環として植えられました、オレゴン。 2004年、花粉は14キロメートル先まで野生の成長しているベントグラスの個体群に到達したことがわかりました。他家受粉のAgrostis giganteaは、21キロメートルの距離でさえ発見されました。栽培者であるスコッツ社は、すべての遺伝子組み換え植物を除去することはできませんでした。2007年に、米国農務省は、規制違反のスコットに500,000ドルの罰金を科しました。

リスクアセスメント

特定の導入遺伝子の長期的な監視と制御は実行不可能であることが示されています。欧州食品安全局は2010年にリスク評価のガイダンスを公開しました。

マウスで使用

遺伝子組み換えマウスは、トランスジェニック研究の最も一般的な動物モデルです。現在、トランスジェニックマウスは、がん、肥満、心臓病、関節炎、不安、パーキンソン病などのさまざまな疾患の研究に使用されています。遺伝子組み換えマウスの最も一般的な2つのタイプは、ノックアウトマウスとオンコミスです。ノックアウトマウスは、既存の遺伝子の発現を破壊するためにトランスジェニック挿入を使用するマウスモデルの一種です。ノックアウトマウスを作成するために、エレクトロポレーションを使用して、目的の配列を持つ導入遺伝子を単離されたマウス胚盤胞に挿入します。次に、いくつかの細胞内で自然に相同組換えが起こり、目的の遺伝子が設計された導入遺伝子に置き換えられます。このプロセスにより、研究者は導入遺伝子が動物のゲノムに組み込まれ、細胞内で特定の機能を果たし、次世代に引き継がれることを実証することができました。

Oncomiceは、動物のがんに対する脆弱性を高める導入遺伝子を挿入することによって作成された、別の遺伝子組み換えマウス種です。がん研究者は、この知識を人間の研究に適用するために、oncomiceを利用してさまざまながんのプロファイルを研究しています。

ショウジョウバエでの使用

キイロショウジョウバエショウジョウバエの遺伝子組換えに関する複数の研究が行われています。この生物は、その発達パターンが十分に理解されているため、100年以上にわたって有用な遺伝モデルです。 ショウジョウバエのゲノムへの導入遺伝子の導入は、P要素、Cre-loxP、ΦC31挿入など、さまざまな手法を使用して行われています。 ショウジョウバエのゲノムに導入遺伝子を挿入するためにこれまで使用されてきた最も実践的な方法は、P要素を利用します。トランスポゾンとしても知られている転移性P要素は、宿主のゲノムに相補配列が存在しない、ゲノムに移行する細菌DNAのセグメントです。 Pエレメントは2つのペアで投与され、目的のDNA挿入領域に隣接します。さらに、P要素はしばしば2つのプラスミド成分で構成されます。1つはP要素トランスポザーゼ、もう1つはPトランスポゾン骨格です。トランスポザーゼプラスミド部分は、トランスポゾンの2つの末端部位間の関心のあるトランスジーンとしばしばマーカーを含むPトランスポゾン骨格の転位を駆動します。この挿入が成功すると、目的の導入遺伝子がゲノムに不可逆的に追加されます。この方法は効果的であることが証明されていますが、P要素の挿入部位はしばしば制御不能であり、 ショウジョウバエのゲノムへの導入遺伝子の好ましくないランダムな挿入をもたらします。

トランスジェニックプロセスの位置と精度を改善するために、Creとして知られる酵素が導入されました。 Creは、組換え媒介カセット交換(RMCE)として知られるプロセスの重要な要素であることが証明されています。トランスジェニック形質転換の効率はPエレメントトランスポザーゼよりも低いことが示されていますが、CreはランダムなP挿入のバランスをとる労働集約的な豊富さを大幅に減らします。 Creは、loxPサイトとして知られる導入遺伝子挿入サイトのマッピングをサポートするため、目的のDNA遺伝子セグメントの標的化された導入を支援します。これらの部位は、Pエレメントとは異なり、目的の染色体セグメントに隣接するように特異的に挿入でき、標的遺伝子導入を支援します。 Creトランスポザーゼは、慎重に配置されたloxP部位に存在する塩基対の触媒切断に重要であり、目的のトランスジェニックドナープラスミドのより特異的な挿入を可能にします。

トランスポゾン媒介およびCre-loxP形質転換法がもたらす限界と低収量を克服するために、バクテリオファージΦC31が最近利用されました。最近の画期的な研究では、バクテリオファージΦC31インテグラーゼのマイクロインジェクションが行われ、P要素だけでは転位できない大きなDNA断片の導入遺伝子挿入の改善が示されています。この方法は、ファージの付着部位(attP)と細菌宿主ゲノムの付着部位(attB)の間の組換えを伴います。通常のP要素導入遺伝子挿入法と比較して、ΦC31は細菌配​​列や抗生物質耐性遺伝子を含む導入遺伝子ベクター全体を統合します。残念ながら、これらの追加の挿入の存在は、導入遺伝子発現のレベルと再現性に影響することがわかっています。

将来の可能性

導入遺伝子の応用の研究は、分子生物学の急速に成長している分野です。実際、今後20年間で30万系統のトランスジェニックマウスが生成されると予測されています。研究者は、特に医療分野における導入遺伝子の多くの用途を特定しています。科学者は、疾患をよりよく理解するためにヒトゲノムの機能を研究するための導入遺伝子の使用、ヒトへの移植のための動物器官の適応、およびインスリン、成長ホルモン、血液凝固防止因子などの医薬品の生産に焦点を当てていますトランスジェニック牛の乳から。

現在、5000の既知の遺伝性疾患があり、トランスジェニック動物を使用してこれらの疾患を治療する可能性は、おそらく、導入遺伝子の最も有望なアプリケーションの1つです。遺伝子疾患を治療するために、ヒト遺伝子治療を使用して、変異遺伝子を導入遺伝子の非変異コピーに置き換える可能性があります。これは、Cre-Loxまたはノックアウトを使用して実行できます。さらに、遺伝子組み換えマウス、ブタ、ウサギ、およびラットの使用を通じて遺伝的障害が研究されています。さらに最近では、科学者はトランスジェニックヤギを使用して、生殖能力に関連する遺伝性疾患を研究し始めています。

導入遺伝子は、間もなくブタの臓器からの異種移植に使用される可能性があります。異種臓器拒絶の研究を通じて、移植臓器の内皮細胞上の外来抗体の認識により、移植臓器の急性拒絶は、臓器がレシピエントからの血液と接触すると起こることがわかった。科学者は、この反応を引き起こすブタの抗原を特定しており、したがって、抗原の除去による即時拒絶なしに臓器を移植することができます。しかし、抗原は後で発現し始め、拒絶反応が起こります。したがって、さらなる研究が行われています。

導入遺伝子は、高レベルのタンパク質を含む牛乳、ヤギの牛乳から得た絹、および工業的反応の速度を高める酵素を含むタンパク質を産生できる微生物などの商品を製造するために製造業者によって使用されています。農業への応用は、特定の特性の動物や病気に耐性のある動物を選択的に繁殖させることを目的としています。

倫理的論争

現在、ヒトにおける導入遺伝子の使用には問題がたくさんあります。遺伝子のヒト細胞への形質転換はまだ完成していません。これの最も有名な例は、X連鎖重症複合免疫不全症(X-SCID)の治療を受けた後にT細胞白血病を発症した特定の患者に関係していました。これは、挿入された遺伝子がLMO2プロトオンコジーンの転写を制御するLMO2プロモーターに近接していることに起因していました。ほとんどの形態の遺伝子工学と同様に、生命にかかわる遺伝的異常を修正する以外の目的で導入遺伝子を使用することは、主要な生命倫理上の問題です。