Мал шаруашылығындағы гендік инженерия

1.

Мал шаруашылығындағы гендік инженерия
Геномында рекомбинантты (бөтен) ген бар жануарларды трансгенді д.а. Рецепиент
геномында интеграцияланған ген трансген, ал осы геннің өнімі трансгенді деп
сипатталады.
Ген тасымалдануының нәтижесінде рекомбинантты белоктың синтезі арқылы
организмнің кейбір қасиетерін жақсартуға және жаңа қасиеттер ендіруге болады.
Трансгенді тұқым қуалау нәтижесінде алынған ұрпақты жануарлардың трансгенді
линиялары деп атайды.
Ауыл шаруашылығында трансгенді мал алу жолы төмендегі сатыларды қамтиды:
1. Микроегуге (микроинъекция) арналған ДНҚ ерітіндісін дайындау;
2. Донорларды алдын ала дайындау және эмбриондарды бөліп алу;
3. Ауыл шаруашылық малының эмбриондарындағы пронуклеустарды табу және ДНҚ
ерітіндісін егу;
4. Егілген эмбриондарды реципиенттің жұмыртқа түтігіне немесе жатырына салу.
5. Мал төліндегі трансгеннің экспрессиясын дәлелдеу, бұл транскрипция (РНҚ) және
трансляция (протеин) деңгейлерінде зерттеледі;
6. Мал шаруашылығының дәстүрлі әдістерін қолданып трансгенді ұрпақ алу.
Микроегуге (микроинъекция) арналған ДНҚ ерітіндісін дайындау.
ДНҚ ерітіндісінде егілуге алынған клеткаларды зақымдайтын және егу жұмысына
қолданылатын пипетканы бітеп қалатын механикалық қоспалардан тазартады, яғни ДНҚ
мен араластырылатын ерітінділерді алдын ала залалсыздандырып, ыдыстарды мұқият
тазалап жуады. Дайын ерітіндінің 1 мл-де ұзындығы 5-8 кб ДНҚ фрагменттерінің 100
көшірмелері болады (1-2 мкг/мл) Егуге арналған дайын ДНҚ ерітіндісін қатырылған күйде
сақтайды.
Микроегу әдісі арқылы трансгенді жануарларды алуда интеграция жиілігі егілетін
ДНҚ ерітіндінің тазартылуынан, ДНҚ фрагменттерінің жабысқақ және жабыспайтын
ұштарынын, буфер ерітіндісінен тәуелді.
Донорларды алдын ала дайындау және эмбриондарды бөліп алу. Мамандар
трансгенді жануарларды алу барысында олардың барлық сомалық және генеративті
клеткалар құрамында құрылымдық гендердің болуын көздейді. Сондықтан көп жағдайда
гендерді жануарлардың алғашқы даму сатыларында (зигота немесе 2-кі клеткалы
эмбрион) тасымалдайды. Көп эмбриондарды алу үшін донорларда суперовуляция
тудырады. Осыдан кейін жануарларды шағылыстырады немесе қолдан ұрықтандырады.
Ауыл шаруашылық малының эмбриондарындағы пронуклеустарды табу және ДНҚ
ерітіндісін егу. Рекомбинантты гендерді жануарлар геномына ендіру 3 жолмен жүзеге
асырылады. Олар: 1) ДНҚ ерітіндісін зиготалардың пронуклеусына немесе 2-кі клеткалы
эмбрионның әр бір бластомеріне егу; 2) ДНҚ-ні егуде ретровирус векторларын қолдану; 3)
Генетикалық трансформацияланған клеткалар мен эмбриондардан трансгенді химералар
алу. Осы жолдардың ішінде біріншісі, ДНҚ ерітіндісін зиготалардың пронуклеусына
немесе 2-кі клеткалы эмбрионның әр бір бластомеріне егу әдісі кең таралған. Ал қалған
екі әдіс бірқатар кемшіліктердің болуына байланысты мал шаруашылығында қолдау
таппады.
Эмбриондарға микроегу жұмысатрын жүргізу үшін, инвертирленген микроскоп
орнатылған орнықты стол, егуге қажет микроманипуляторлар, пипеткалар, инъекциялық
қысымды реттейтін құрал қажет. Микроскоп столына парафин майымен жабылған ерітінді
бар егу (инъекциялық) камерасын қояды. Ерітіндіге эмбриондарды салады. Эмбриондарды
пиптканың ұшында төменгі қысымда ұстайды (бекітеді), мұнда егілетін пронуклеус жақсы
көрініп тұруы қажет. Егуге арналған пипетканың ұшын (1-2 мкм) ДНҚ ерітіндісімен
толтырады. Пипетканы мөлдір клетканың қабығы және мембраналардан өткізіп, ДНҚ
1

2.

ерітіндісін
егеді. Пронуклеус көлемінің ұлғайып ісінуі, оның инъекцияланғанын
көрсетеді. Егуден кейін эмбрионды ұстағыш пипеткадан босатып, реципиентке
көшірілгінге дейін культурада өсіреді.
Тышқан және қоянның ұрықтанған жұмыртқа клеткаларында пронуклеустар өте
жақсы көрінеді, оларды егу басқа жануарларға қарағанда әлде қайда оңайға түседі. Ауыл
шаруашылық жануарлардың эмбрион клеткаларының цитоплазмаларында қара липидті
гранулалар болады. Осы себептен эмбриондардағы пронуклеустарды көру қиындыққа
соғады. Осыған байланысты эмбриондарды 3-5 минут 15000 g/мин центрифугалайды,
оның нәтижесінде гранулалар жұмыртқа клеткасының бір полюсіне жинақталады, ал
орталығына қарай пронуклеустар шоғырланады, олардың жақсы көрінуі микроегуге
мүмкіндік тудырады.
Қой эмбриондарындағы пронуклеустарды визуализациялау үшін центрифугалау әдісі
қолданылмайды, оның орнына интерференционды контрастты Норманский оптикасы
жеткілікті болады.
Эмбриондарды көшіру. Егілген эмбриондарды in vitro жағдайында қысқа мерзім
өсіреді, осыдан кейін реципиент малдың жұмыртқа түтігіне хирургиялық жолмен
ендіреді. Егілген эмбриондардың дамып жетілуі донор және реципиент жануарлардың
алдын-ала дайындығынан ( жұмыртқа, жұмыртқа жолдары, жатыр тиісті физиологиялық
дайындық сатысында болу керек) тәуелді болады. Әр бір тышқан, қоян, шошқа
реципиентіне 20-30 егілген зигота көшіріледі, шошқаның бір жұмыртқа жолына, тышқан
мен қоянның әр бір жұмырқа жолдарына зиготаларды бөліп отырғызады. Қой, ешкі, ірі
қара малдардың реципиенттеріне 2-4 эмбриондар отырғызылады.
Аналықтарды күйлеу стерильді (вазэктомирленген) аталықтармен шағылыстырады,
сонымен қатар, адамның хорионды гонадотропинімен; жұмсақ суперовуляциясымен, сары
дененің лютеолизімен жүзеге асырады.
Микроегілген жұмыртқа клеткаларын хирургиялық трансплантациялайды. Ірі қара мал
реципиентіне наркоз беру арқылы , құрсағын жарып жұмыртқа мен жұмыртқа жолдарын
оқшаулайды. Жарамсыз реципиенттерді алып тастау үшін, жұмырқадағы және жұмыртқа
жолдарындағы овуляция индукциясының әсерінен туатын реакцияны (сары дене және
овуляциялық нүктелердің болуын) бақылайды. Осындан кейін ерітіндідеге егілген
микроэмбриондарды арнайы катетрмен жұмыртқа жолдарына ендіреді.
Ірі қара малға егілген эмбриондарды хирургиялық жолсыз көшіру үшін эмбриондарды
in vitro жағдайында морула кезеңіне дейін өсіріп реципиент жатырына көшіреді.
Трансгенді жануарларда гендер экспрессиясы мен интеграциясын зерттеудің 3
әдісі бар. Олар: 1) блот-талдау; 2) дот-блот талдау, 3) полимеразалық тізбектік реакция
(ПЦР).
Зерттеу объектісі ретінде организмнің ядролы клеткалар ұлпасы немесе ішкі
сүйықтықтары алынады. Қанды зерттеу үшін ұлпалардан ДНҚ бөлініп алынады. Блотталдау үшін 20-30 мкг ДНҚ қажет. Бұл талдау арқылы ДНҚ интеграциясын аса дәлдікпен
дәлелдейтін мәліметтер алуға болады. Дот-блот талдау –геномда интеграцияланған
көшірмелердің санын анықтауға қолданады. Полимеразалық тізбектік реакция (ПЦР)зертеуге өте аз көлемде материал қолданылады және зерттеу нәтижелері қысқа уақыт
аралығында алынады.
Трансгенді жануарларда микроегілген құрылымдық гендердің транскрипциясын
зерттеуге РНҚ-ны экспрессиясы жоғары дәрежеде болады деп күтілген ұлпалардан
бөлініп алынады.
Гендік құрылымдардың трансляциясын зерттеу үшін экзогенді протеинге сандық
және сапалы талдау жүргізіледі. Экзогенді протеиндердің болуын дәлелдеуге
радиоиммундық биологиялық, иммундық-ферменттік, биологиялық т.б. әдістер
қолданылады.
Трансгендік тұқым қуалау. Гендік инженерия жолымен алынған трансгенді
жануарлардың жыныс клеткалардында толық немесе жартылай трансген болса, ондай
2

3.

жануарларды трансгенді линиялар деп атайды. Трансгенді жануарлар ішінде мозайка
жануарлар пайда болуы мүмкін. Мозайка жануарлар деп бір зиготадан түзілсе де, екі
немесе одан да көп клеткалар линияларынан тұратын, әр түрлі генотипке ие жануарларды
айтады. Сондай-ақ, трансгенді мозайкаларда трансгенді емес линиялар да болуы мүмкін.
Ондай жануарлардан таза трансгенді ұрпақ, трансгенді линиялар алу оңайға түспейді.
Мәселен, гонадалар клеткаларында трансген болмаса, алынған ұрпақта трансгенді атааналық формалардан егілген геннің тұқым қуалауы жүзеге аспайды. Осының негізінде
трансгенді жануарлардың 30 % мозайкалар болып табылады.
Трансгенді жануарларды алу. Трансгенді жануарларды алу мақсаты мал шаруашылық
өнімнің өнімділігі мен сапасын жақсарту, олардың түрлі ауруларға төзімділігін арттыру,
құнды биологиялық ырықты заттарды өндіретін трансгенді-биореакторлар жасау. Сондайақ, жануарлардың өсу жылдамдығын, еттілігін, сүт сауылымын т.б. арттырады.
Жануарлардың өсіп-жетілуі күрделі процесс, ол ең бастысы гендердің әсерінен,
қоректенуінен, күтімінен, сыртқы орта факторлардан тәуелді. Соңғы жылдары генетик
ғалымдар гормондарға (өсу гормондары, өсу гормондарының релизинг факторлары,
инсулин тәрізді өсу гормондары) ерекше назар аударды. 40 жылдары сиыр сүттілігі
гипофизарлық гормонға тәуелді екені анықталған. Әйтсе де оны бөліп алу өте қымбатқа
түсіп, практикада қолданыс таппады. 70 жылдардың аяғында гендік инженерия дәуірі
кезеңінде арзан әрі құнды гормоналдық препараттарды алу мақсатында ізденіс жұмыстар
алға басты. Мәселен, рекомбинантты ДНҚ әдісі негізінде микробиологиялық жолмен
алынған өсу гормондары гипофизарлық гормонның қасиетіне ұқсас, малдың өсіпжетілуіне, сүттілігіне оң әсерін тигізетіні айқындалды. Өсу гормондарын ауыл
шаруашылығында үлкен масштабта қолданыла бастады. Күніне 13 мг өсу гормонын малға
егу арқылы оның сауымдылығын 23-31% арттыратыны дәлелденді. Өсу гормондарын
тәулік сайын жас малға (қой, шошқа, ірі қара мал) егу олардың тәуліктік салмағының 2030 % арттыратыны байқалған, бұл мал азығын үнемдеуге мүмкіндік береді.
Ауруларға төзімді трансгенді мал алу.
Ауыл шаруашылық малдың ауруға
шалдығуы, олардан алынатын өнім бағасының 10 %-н қысқартады. Сондықтан
жануарларды сұрыптауда ауруларға төзімді (резистентті) түрлерін алу көзделген.
Резистенттілік-жануарлардың белгілі бір микроорганизмдерге, вирустарға, паразиттерге,
токсиндерге төзімділік қасиетін айтады, ол тұқұм қуалайды. Өкінішке орай, түрлі
ауруларға төзімді жануарлардың селекциясын жүргізу бағытында жасалған зерттеу
жұмыстары оң нәтижелер бермеген. Әйтсе-де, жеке мысалдар келтіруге болады. Ірі қара
малды зебу қанымен шағылыстыру нәтижесінде, қан паразиттеріне төзімді түрлер
алынған. Бірқатар ауруларға төзімділік полигенді болады. Мәселен, триптанотолерантты
африкалық ірі қара мал басқа да қасиеттермен, яғни ыстыққа төзімділігімен, аса күтіп
баптауды қажестіндейтіндігімен ерекшелінеді. Алайда резистентті қасиеттер бір ған
генмен, мысалы торайлардың диареяға резистенттілігімен, тышқандардың тұмауға
төзімділігімен сипатталуы мүмкін.
Осының негізінде белгілі бір ауруларға төзімді жануарлар түрлерін алу мақсаты
көзделген. Инфекциялық ауруларға төзімді механизмдері ауру қоздырғыштың енуін тежеу
немесе рецепторлардың өзгерісімен жүзеге асырылады. Ауру қоздырғыштың енуі мен
көбеюіне иммундық механизмдер және гистосәйкестілік комплексінің негізгі гендердің
экспрессиясымен, сондай-ақ, әр түрлі молекулалардың (интерферон, нейтропептид,
гормон, интерлейкин) иммунологиялық мүмкіндіктермен тежеледі.
Бүгүнгі күні теріс мәнді РНҚ гендері бар трансгенді жануарлар алу бағытында ізіденіс
жұмыстары жүргізілуде. Ол гендерді экспрессиясы нәтижесінде клеткалдағы оң мәнді
РНҚ мен комплекс түзуіне мүмкіндік береді. Осының негізінде вирус геномының
репликациясын тежейді. Т.И.Тихенко аденовирусқа H5(Ad 5) қарсы теріс мәнді ген
құрылымын жасады. Биотехнологиялық орталықта М.И.Прокофьев трансгенді қояндар
алды. Олардың бүйректерінен алынған клетка культурасында теріс мәнді РНҚ бар екені
анықталды. Осы тәжірибелік қояндар бақылау вариаанттарымен салыстырғанда
3

4.

аденовирусқа Ad5 резистенттілігі 90-98 % құрады. Сонымен қатар, теріс мәнді РНҚ бар
трансгенді ірі қара малдың лейкозға және вирустық лейкозға төзіміді келетіні байқалды.
Медициналық және технологиялық мақсатта биологиялық ырықты заттарды
өндіретін трансгенді жануарларды алу. Трансгенді жануарларды биореакторлар ретінде
қолданудың негізгі стратегияларына медициналық және технологиялық маңызды
белоктардың синтезін тудыратын гендерді организм клеткаларына ендіру.
Алғашында ондай белоктарды адам ұлпалары мен биологиялық сұйықтықтардан,
мәселен қаннан (қанның ұю факторы, басқа қан белоктары) және гипофизден (өсу
гормоны) бөлініп алынған. Белоктарды бөліп алудың бұл жолы қымбат әрі қиын. Сондайақ, онда патогенді организмдер (гепатит) болуы мүмкін. Кейінгі жылдары биологиялық
ырықты заттарды микробиологиялық жолмен бөлініп алынса, соңғы жылдары сүтқоректі
биореакторларда өсірілетін трансгенді клеткалар линияларынан бөлініп алынуда.
Биореаторлар экзогенді гендермен кодталатын белоктар түзуге қабілетті. Осы жолмен
медицинада, фармакологияда қолданылатын препараттар инсулин, қан ұю факторлары,
адамның өсу гормоны т.б. алынуда.
Трансгенді жануарлар клеткалық жүйелер мен микроорганизмдерге қарағанда
биологиялық құнды заттарды өндіруде бірқатар қасиеттермен ерекшелінеді.
Микроорганизмдер өндіретін сүтқоректілердің белоктары дұрыс гликолизденбейді,
гидроксилденбейді, карбоксилденбейді. Микроорганизмдердің қарапайым рекомбинатты
жүйелерінде көпшілік жағдайда
бірқатар кемшіліктер болады. Оның салдарынан
протеиндер құрылысы бұзылып, биологиялық ырықтығы төмендейді.
Гендік инженерлік клеткалар линияларынан алынатын жаңа белоктар кейбір
жағдайларда дұрыс модификацияланғанымен, культуралық клеткалардан өндірілетін
белок шығымы төмен болады. Сондай-ақ, үлкен масштабта клеткалық культураны алу,
өсіру қиын әрі қымбатқа соғады, әрі клеткаларды өсіретін биореакторлардың құны және
оларды іске қосу аса қымбатқа түседі. Ал тарнсгенді жануарларды алу қиынға
соғатынымен, оларды бір рет алып, өзіне тән трансгенді жануарларды тез арада көбейтіп
алуға болады. Сонымен қатар, оларды өсіру арзанға түседі. Трансгенді жануарларды
қолданып, арзан әрі тиімді жолдармен пайдалы белоктарды көп мөлшерде өндіріп алуға
болады.
Гетерогенді белоктарды көптеген жануарлардың дене ұлпаларынан алуға болады.
Құрылымдық гендердің өзіндік регуляторлық элементтермен қосу арқылы белгілі бір
мүшелерде трансгендердің экспрессиясын тудыруға болады. Биореакторлары өндіруде сүт
бездерінің эпителиалды клеткаларында трансгенді экспрессиясын жүзеге асыру
нәтижесінде сүттен белок алу жұмыстары үлкен жетістіктерге жетті. Сүт протеинінің
промотрлармен байланысқан құрылымдық ген ең алдымен сүт бездерінң клеткаларында
экспрессияланады. Ондай промотрларға казеин, лактоальбумин, лактоглобулин жатады.
Сүт бездерін бөтен белоктар синтездеу үшін қолдану оның көп мөлшерде белоктың
өнімдерді синтездей алу қабілетіне байланысты негізделген.
Түрге байланысты эндогенді сүт белоктары 2-10 % құрайды, яғни, 20-100 гр/л.
Трансгенді жануарлар сүтінен алынған рекомбинантты белоктар: адам белогы С, IX
антигемофильді фактор, альфа -1- антитрипсин, плазмалық-ұлпа активаторы, адамның
сарысу альбумині, интерлейкин -2, урокиназа, химозин. Осылардың ішінде альфа -1антитрипсин мен химозиннен басқалары коммерциялық қызығушылық тудырмады.
Көптеген жобалар эксперимент түрінде орындалуда.
Түр аралық эмбриондарды трансплантациялау және химераларды алу. Бастапқыда
эмбриондарды бір аналықтан екінші аналыққа көшіру тек бір түрге жататын жануарларда
ғана мүмкін деген пікір болды. Эмбриондарды қойдан ешкіге немесе керісінше
тасымалдау жүзеге асқанымен, эмбрионның ары қарай дамып жетілуі мүмкін емес. Яғни,
эмбрион белгілі бір даму сатысында тіршілігін жояды, бұл планцета функциясының
бұзылуынан, аналық организмде бөтен антигенге иммундық реакциялардан тәуелі
4

5.

процесс. Осындай сәйкессіздікті микрохирургиялық жолмен жоюға болады, есесіне
химералық жануарлар пайда болады.
Бір түрге жататын жануарлардың аналықтарынан эмбриондар бөліп алып, олардың
бластомерлерін өзара қосу арқылы, күрделі химералық эмбриондар (қой) алынған. Ол атааналық эмбриондардың тең санды бластомерлерден
(2-8) тұрды. Эмбрионды агарға көшіріп, бластоцит сатысына жеткенде қойдың
лигатирленген жұмыртқа жолдарына көшірген.
Дұрыс дамыған бластрциттерді
реципиентке көшіріп, қозылар алған. Олардың көбі химералар болып табылған, яғни қан
құрамы мен сыртқы белгілерінде ерекшеліктер болған.
1984 жылы С.В.Фехилли т.б. ғалымдар қой мен ешкінің бластомерлерін алып, агарға
көшірген, 4-5 тәуліктен кейін эмбриондарды қойдын лигитирленген жұмыртқа жолдарына
көшіру арқылы комбинацияланған бластомерлер алынған. Нәтижесінде 17
бластоциттерден 7 ұрпақ, олардың барлығы қозыларға ұқсағанымен, арасында ешкінің
қасиеттері тән (жүндерінде) химералар болған.
Құрылымдық геннің нысандағы клетка геномына тасымалдануы
Жануарлар клеткаларының трансформациялануы: а) генетикалық материалды тікелей
ендіру, яғни ерітінді күйінде плазмидалық ДНҚ тікелей ұлпаға ендіру; б) Баллистикалық
трансфекция, жануадың мүшелері мен ұлпаларын микробөлшектермен бомбылау
(атқылау); в) Клекталардың электропорациясы. Мұнда вирустық және плазмидалық
векторлар қолданылады. Бұл әдістердің сипаттамалары толығымен бесінші бөлімде
(Трансгенные растения) толық берілген.
5