2. Модельные организмы
- организмы, используемые в качестве моделей для изучения тех или
иных свойств, процессов или явлений живой природы
• Позволяют проводить эксперименты,
невыполнимые на людях
• Живые организмы проявляют высокую
степень сходства на молекулярном уровне,
некоторые гены могут сохраниться входе
эволюции у далеких видов
3. Характеристики модельных
организмов
• Хорошо изучены
• Легко содержать и разводить в лаборатории
• Короткое время генерации
• Легкодоступны для классических
экспериментов по скрещиванию, а также
прямого манипулирования с геномом
• Близкое к человеку положение на
филогенетическом древе
4. Группы модельных организмов для изучения
генетических заболеваний человека
Класс организмов Преимущества Недостатки и ограничения
Приматы
Близки к человеку генетически,
биохимически и физиологически.
Сходное строение мозга.
Дорогостоящие исследования.
Длительный цикл развития,
малочисленное потомство. Этические
проблемы.
Другие
млекопитающие
Относительно близки к человеку на
разных уровнях. У грызунов короткий
цикл развития и многочисленное
потомство.
Кроме грызунов, длительный цикл
развития, малочисленное потомство.
Некоторые заболевания невозможно
моделировать.
Другие
позвоночные
Хорошие модели для изучения
ранних стадий эмбрионального
развития. Короткий цикл развития и
многочисленное потомство.
Сложности с генетическими
манипуляциями. Отсутствуют
ортологи многих генов человека.
Беспозвоночные
C. elegans и D. melanogaster очень
легко разводить в лабораторных
условиях и проводить генетический
анализ. Подходят для
изучениямоделей заболеваний на
клеточном уровне.
Эволюционно далеки от человека,
следовательно отличаются многие
процессы и отсутствуют ортологи
многих генов.
5. Human gene Drosophila gene Affect when mutated
Hox genes Hox genes Alteration of anterior-
posterior identities
PAX6 eyeless Defects of the eyes
SALL1 salm or salr Defects of the
auditory system
TWIST1 twist Malformations of
mesodermal
derivatives
NKX2-5 tinman Defects in heart
specification and
function
11. Humans Animal models
Mutant Gene
Mutant or missing
Protein
Mutant Phenotype
(disease)
Mutant Gene
Mutant or missing
Protein
Mutant Phenotype
(disease model)
12. Humans Animal models
Mutant Gene
Mutant or missing
Protein
Mutant Phenotype
(disease)
Mutant Gene
Mutant or missing
Protein
Mutant Phenotype
(disease model)
Sequence analysis (BLAST) can connect
animal genes to human genes
13. Humans Animal models
Mutant Gene
Mutant or missing
Protein
Mutant Phenotype
(disease)
Mutant Gene
Mutant or missing
Protein
Mutant Phenotype
(disease model)
Relating phenotypes
14. Фенотип модельного организма исследуется,
исходя из проявления заболевания у человека
• Анатомические, морфологические,
гистологические исследования
• Метаболические, физиологические,
поведенческие тесты
• Молекулярно-генетический анализ
экспрессии (как уровень экспрессии, так и
ее локализация)
• Получение и исследование клеточных
линий
17. Трансгенные организмы
• Экзогенная ДНК внедряется в геном клеток
зародышевого пути
• Для изменения генома модельных
организмов разработано множество
методов
• Трансген – чужеродная ДНК используемая
при трансгенезе
18. Способы введения трансгенов
• Микроинъекция в пронуклеус
• Перенос генов в гаметы и предшественники
половых клеток
• Перенос генов в плюрипотентные клетки
эмбриона или культивируемые
плюрипотентные клетки
• Перенос генов в соматические клетки
(клонирование)
22. Регуляция трансгена на уровне
экспресии
• Экзогенные промоторы позволяют
регулировать экспрессию трансгенов
• На экспрессию трансгенов может влиять
эффект положения и структура трансгенного
локуса
26. Подходы к таргетингу генов для создания
«нулевых» аллелей или более мягких мутаций
1. Gene knockouts – полное выключение гена
2. Gene knock-ins – выключение гена с
внедрением репортерного гена (lacZ, GFP)
3. Создание точечных мутаций
4. Кондиционная инактивация генов
Исследование функций гена, моделирования заболеваний
Используется процесс гомологичной рекомбинации (кроме п. 4)
31. Кондиционная инактивация генов
• Инактивация в определенных тканях или в
определенное время
• Для изучения генов, жизненно важных на ранних
стадиях развития или в некоторых тканях
• Используются сайт-специфические системы
рекомбинации микроорганизмов
33. Chromosome engineering
• Создание крупных хромосомных
перестроек
• Для моделирования хромосомных
заболеваний человека
• Используются сайт-специфические системы
рекомбинации микроорганизмов
36. Таргетная инактивация генов на
уровне РНК
• Gene knockdown
• Не требуется получения трансгенных
животных
1. Интерференция РНК
2. Морфолиновые антисмысловые
олигонуклеотиды
37. Случайный мутагенез
• Для внесения случайных мутаций в геном
• Получение большого количества мутантов,
последующая фенотипическая селекция и
анализ генотипа
1. Химический мутагенез
2. Инсерционный мутагенез
– Gene trapping (ловушка гена)
– Транспозонный мутагенез
42. Использование трансгенных животных для
моделирования заболеваний человека и
изучения функций генов
• Генетические, аутоимунные заболевания, рак,
инфекционные заболевания
• Среди генетических чаще исследуются
моногенные заолевания, реже –
мультифакторные, хромосомные
• Мышь – наиболее популярные модельный
объект
• Беспозвоночные используются для
исследования клеточной или молекулярной
основы заболевания
43. Disease Human Mouse Fruit fly Worm Yeast Bacteria
Ataxia
telangiectasia ATM ATM MEI-41 T06E4.3 TEL1
Breast
cancer BRCA1,2 BRCA1,2
Cystic
fibrosis CFTR CFTR MDR50 mrp-1,2 YCF1 MDL
Duchenne
muscular dys DMD DMD SPEC-B F15D3.1a
HNP colon
cancer MSH2 MSH2 SPEL1 msh-2 MSH2 MUTS
Huntingtin
disease HD
(huntingtin)
HD
(huntingtin)
Werner
syndrome WRN WRN MUS309 wrn-1 SGS1 RECQ
Wilson
disease WND ATP7B CA-P60A B0365.3 CCC2 f834
Waardenburg
syndrome PAX3 PAX3 CG6716-P vab-3
Human disease genes in model organisms
44. Мутации потери функции
Loss-of-function
• Моделируются при селективной инактивации
ортологичного гена
• Чаще рецессивные
1. Нулевый аллели, кондиционная инактивация
2. Гуманизированные аллели (humanized allele)
3. Ликовые мутации (leaky mutations)
48. Моделирование хромосомных
заболеваний
• Делеции и дупликации относительно
небольшого размера модилируются при
помощи хромосомной инженерии
• Нарушение числа хромосом моделировать
сложно из-за ограниченной синтении
хромосом человека и мыши
52. Трудности в повторении фенотипа
человека на мышах
• Отличия в наборе генов
• Отличия в генетическом фоне
• Отличия в регуляции и экспресии генов
• Отличия в биохимических и
метаболических путях
• Отличия в клеточной физиологии и
развитии
и тд.
53.
54. Гуманизированные мыши
• Линии мышей, в которых нивелированы те
или иные отличия от человека в
физиологии, биохимии и тд
59. Выводы
• Модельные организмы важны для изучения функций
генов, понимания механизма заболевания,
тестирования новых препаратов.
• «Полезность» модельного организма зависит от многих
факторов: эволюционную близость, практические
преимущества и ограничения, этически проблемы.
• Черви и насекомые используются для анализа на
клеточном уровне, рыбы и мыши – на более высоком.
• Генетические манипуляции, как правило, заключаются
во внедрении чужеродной ДНК в клетки зародышевого
пути для получения трансгенного организма.
• Микроинъекции в пронуклеус часто используются для
внедрения чужеродного гена (нормального или
мутантного).
• Модификация эндогенных генов может осуществляться
методом таргетинга генов или случайным мутагенезом.
60. • Таргетинг генов основан на процессе гомологичной
рекомбинации в клетке.
• Сайт-специфическая рекомбинация позволяет
контролировать место и время экспрессии трансгена.
• Кондиционные нокауты позволяют выключать
жизненно важные на ранних стадиях развития гены.
• На модельных организмах также изучаются крупные
хромосомные перестройки.
• Возможно выключение генов на уровне РНК, а не ДНК.
• При крупномасштабных экспериментах по мутагенезу
зачастую применяются методы случайного мутагенеза.
• В качестве модельных объектов могут использоваться
стволовые клетки, в том числе полученные из
соматических
Выводы
61. Can computer models replace animal
models in research?
• Even though computer models are limited by
what is already known about a process or
disease, they are valuable tools that scientists
can use to suggest ideas that then can be
tested in real organisms. The information that
results from the experiments continually
enhances the computer modeling approaches.
Thus, the two types of models go hand in
hand, relying on each other to advance our
understanding of health.
