حیوانات ترانس‌ ژنیک

حیوانات ترانس ژنیک به‌طور معمول در آزمایشگاه‌ها به عنوان مدل در تحقیقات زیست‌پزشکی استفاده می‌شوند. بیش از 95 درصد از آن‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، جوندگان اصلاح‌شده ژنتیکی، عمدتا موش هستند. آن‌ها ابزارهای مهمی برای تحقیق در مورد بیماری‌های انسانی هستند که برای درک عملکرد ژن در زمینه حساسیت، پیشرفت بیماری و تعیین پاسخ به یک مداخله درمانی استفاده می‌شوند.

تاریخچه

در دهه‌های 1970 و 1980، دانشمندان با ابداع روش‌هایی برای ترکیب “DNA” دو گونه بسیار متفاوت با مهندسی ژنتیک، از این مانع عبور کردند. ارگانیسم‌های تولیدشده توسط این روش‌ها، ترانس ژنیک نامیده می‌شوند.

اولین ارگانیسم ترانس ژنیک در سال 1974 ایجاد شد؛ “Annie Chang” و “Stanley Cohen” ژن‌های استافیلوکوکوس اورئوس را در اشریشیا کلی بیان کردند. در سال 1978، سلول‌های مخمر، اولین موجودات یوکاریوتی بودند که تحت انتقال ژن قرار گرفتند.

در طول دهه 1970، اولین موش کایمریک تولید شد  .(Brinster1974)برای تولید حیوانات ترانس ژنیک، سلول‌های دو جنین مختلف از سویه‌های مختلف در مراحل اولیه رشد (هشت سلول) با هم ترکیب شدند تا یک جنین منفرد را تشکیل دهند که متعاقبا به یک بزرگسال کایمریک تبدیل شد و ویژگی‌های هر سویه را نشان داد.

مشارکت متقابل زیست‌شناسی تکاملی و مهندسی ژنتیک امکان توسعه سریع تکنیک‌های ایجاد حیوانات ترانس ژنیک را فراهم کرد. “DNA microinjection”، اولین تکنیک موفقیت‌آمیز در پستانداران، ابتدا روی موش‌ها (Gordon and Ruddle,1981) و سپس روی گونه‌های مختلف دیگر مانند خرگوش، گوسفند، خوک، پرندگان و ماهی‌ها اعمال شد. سپس دو تکنیک اصلی دیگر توسعه یافتند:

1. روش‌های انتقال ژن با واسطه رتروویروس (Jaenisch,1976)
2. انتقال ژن با واسطه سلول‌های بنیادی جنینی (Gossler et al,1986)

از سال 1981، زمانی که اصطلاح ترانس ژنیک برای اولین بار توسط “JW Gordon” و “FH Ruddle” مورد استفاده قرار گرفت، توسعه سریعی در استفاده از حیوانات دست‌کاری‌شده ژنتیکی صورت گرفت؛ زیرا محققان تعداد فزاینده‌ای از کاربردهای این فناوری را یافته‌اند.

ترانس ژنیک چیست؟

ترانس ژنیک به ارگانیسم یا سلولی اطلاق می‌شود که ژنوم آن با معرفی یک یا چند توالی DNA خارجی از گونه‌های دیگر با روش‌های مصنوعی تغییر یافته است. ارگانیسم‌های ترانس ژنیک در آزمایشگاه برای اهداف تحقیقاتی تولید می‌شوند.

ترانس ژن، ژنی است که به طور طبیعی یا با هر یک از تکنیک‌های مهندسی ژنتیک از یک موجود زنده به موجود دیگر منتقل شده است. ترانس ژن بخشی از DNA حاوی توالی ژنی را توصیف می‌کند که از یک موجود زنده جدا شده، و به ارگانیسم دیگری وارد شده است. این بخش غیربومی DNA ممکن است توانایی تولید RNA یا پروتئین در ارگانیسم ترانس ژنیک و یا تغییر عملکرد طبیعی کد ژنتیکی موجودات ترانس ژنیک را حفظ کند.

همچنین بخوانید: ژن چیست؟

حیوانات ترانس ژنیک

حیوانات ترانس ژنیک به حیواناتی گفته می‌شود که ژنوم آن‌ها تغییر یافته است. یک ژن خارجی به ژنوم حیوان وارد می‌شود تا DNA آن را تغییر دهد. این روش برای بهبود ویژگی‌های ژنتیکی حیوان مورد نظر انجام می‌شود.

در ابتدا بهبود صفات ژنتیکی با روش های اصلاحی- انتخابی انجام شد. در این روش، حیوانات با ویژگی‌های ژنتیکی مورد نظر جفت شدند تا موجودی با ویژگی های ژنتیکی بهبودیافته تولید شود. از آنجایی که این تکنیک زمان‌بر و گران بود، بعدا با فناوری DNA نوترکیب جایگزین شد.

ترانس ژنیک پدیده‌ای است که در آن یک ژن خارجی با ویژگی‌های مورد نظر وارد ژنوم حیوان مورد نظر می‌شود. ژن خارجی معرفی‌شده به نام ترانس ژن و حیوانی که ژنوم آن تغییر یافته است به عنوان ترانس ژنیک شناخته می‌شود. این ژن‌ها به نسل‌های متوالی منتقل می‌شوند.

حیوانات ترانس ژنیک از نظر ژنتیکی دستکاری شده‌اند و به عنوان موجودات اصلاح‌شده ژنتیکی نیز شناخته می‌شوند. اولین ارگانیسم اصلاح‌شده ژنتیکی در سال 1980 مهندسی شد.

نمونه‌هایی از حیوانات ترانس ژنیک

1. 1. موش

موش‌های اصلاح‌شده ژنتیکی رایج‌ترین مدل حیوانی برای تحقیقات ترانس ژنیک هستند. موش‌های ترانس ژنیک در حال حاضر برای مطالعه انواع بیماری‌ها از جمله سرطان، چاقی، بیماری قلبی، آرتریت، اضطراب و بیماری پارکینسون مورد استفاده قرار می‌گیرند. دو نوع رایج از موش‌های اصلاح‌شده ژنتیکی، موش‌های “knockout” و “oncomice” هستند. محققان سرطان از “oncomice” برای مطالعه پروفایل‌های سرطان‌های مختلف استفاده می‌کنند تا این دانش را در مطالعات انسانی به کار ببرند.

2. 2. مگس سرکه

مطالعات متعددی در مورد ترانس ژنیک ‌بودن مگس سرکه انجام شده است. این ارگانیسم بیش از 100 سال است که یک مدل ژنتیکی مفید بوده است؛ زیرا الگوی رشدی آن به خوبی درک شده است. در فرایند تولید حیوانات ترانس ژنیک، انتقال ژن‌ها به ژنوم مگس سرکه با استفاده از تکنیک‌های مختلفی از جمله عنصر “P” و “Cre-loxP” و درج “ΦC31” انجام شده است.

3. 3. گوسفند دالی

گوسفند دالی، نوعی دیگر از حیوانات ترانس ژنیک است؛ دالی اولین پستانداری بود که از یک سلول بالغ شبیه‌سازی شد. در این مرحله، سلول‌های پستان یک گوسفند سفید 6 ساله “Finn Dorset” به یک تخمک بارور نشده از یک میش اسکاتلندی تزریق شد که هسته آن برداشته و سلول توسط پالس‌های الکتریکی به هم جوش خورد. پس از ادغام هسته سلول با تخمک، جنین حاصل به مدت شش تا هفت روز کشت داده شد. سپس در میش اسکاتلندی دیگری کاشته شد که گوسفند ترانس ژنیک به نام دالی را به دنیا آورد.

4. 4. ماهی ترانس ژنیک

انتقال ژنتیکی در ماهیان مختلف مانند کپور معمولی، سالمون اقیانوس اطلس و غیره انجام شده است. سالمون ترانس ژنیک اولین حیوان اصلاح‌شده ژنتیکی برای تولید غذا بود.

5. 5. مرغ ترانس ژنیک

“DWSalter” و “LBCrittenden” در سال 1987، در ادامه تحقیقاتی که در خصوص تولید حیوانات ترانس ژنیک صورت گرفته بود، یک مرغ مقاوم به ویروس لوکوز را تولید کردند.

6. 6. خرگوش ترانس ژنیک

اولین خرگوش ترانس ژنیک در سال 1985 با موفقیت تولید شد. آنها به عنوان حیوانات ترانس ژنیک در زمینه کشاورزی مولکولی استفاده می‌شوند.

7. 7. گاو ترانس ژنیک

نام اولین گاو ترانس ژنیک “Rosie” است که در سال 1997 تولید شد. این حیوانات ترانس ژنیک عمدتا با دو هدف افزایش تولید شیر و پرورش مولکولی تولید می‌شوند.

روش‌های ایجاد حیوانات ترانس ژنیک

1. 1. انتقال فیزیکی

در این روش، ژن مورد نظر مستقیما به پیش‌هسته یک تخمک بارورشده تزریق می‌شود. این اولین روشی است که جهت ایجاد حیوانات ترانس ژنیک در پستانداران موثر است. این روش برای طیف گسترده‌ای از گونه‌ها قابل استفاده بود. روش‌های دیگر انتقال فیزیکی شامل بمباران ذرات، اولتراسوند و الکتروپوراسیون است.

2. 2. انتقال شیمیایی

یکی از روش‌های شیمیایی انتقال ژن، شامل تبدیل است. در این روش، DNA هدف در حضور فسفات کلسیم جذب می‌شود. DNA و فسفات کلسیم به طور مشترک رسوب می‌کنند که جذب DNA را تسهیل می‌کند. سلول‌های پستانداران توانایی جذب DNA خارجی از محیط کشت را دارند.

3. 3. انتقال ژن با واسطه رتروویروس

برای افزایش شانس بیان، ژن مربوطه توسط یک ناقل منتقل می‌شود. از آنجایی که رتروویروس‌ها توانایی آلوده‌کردن سلول میزبان را دارند، به عنوان ناقل برای انتقال ژن مورد نظر به ژنوم هدف برای تولید حیوانات ترانس ژنیک استفاده می‌شوند.

4. 4. ناقلان ویروسی

از ویروس‌ها برای انتقال”rDNA” به سلول حیوانی استفاده می‌شود. ویروس‌ها توانایی آلوده کردن سلول میزبان، بیان خوب و تکثیر موثر را دارند.

5. 5. باکتری عفونی

فرآیندی است که طی آن ژن مورد نظر با کمک باکتری‌ها به ژن هدف، جهت ایجاد حیوانات ترانس ژنیک منتقل می‌شود.

همچنین بخوانید: انواع روش های رنگ آمیزی باکتری

مراقبت از حیوانات ترانس ژنیک

رهنمودهای “CCAC” و رفاه حیوانات ترانس ژنیک

این بخش به تشریح نگرانی‌های مربوط به رفاه حیوانات ترانس ژنیک می‌پردازد که احتمالا در ایجاد حیوانات ترانس ژنیک و نگهداری از آن‌ها در محیط آزمایشگاهی ایجاد می‌شوند. همچنین باید به پیشرفت‌هایی که شامل گونه‌ها در خارج از محدوده آزمایشگاه نگهداری می‌شوند، توجه شود.

1. 1. دستورالعمل “CCAC” در مورد حیوانات ترانس ژنیک

علاوه بر راهنمای مراقبت و استفاده از حیوانات آزمایشی، “CCAC”  اخیرا دستورالعمل‌هایی را در مورد حیوانات ترانس ژنیک تهیه کرده است. هدف از تولید این دستورالعمل‌ها کمک به اعضای “ACC” و محققین در ارزیابی اخلاقیات جنبه‌های تکنولوژیکی ایجاد، مراقبت و استفاده از حیوانات ترانس ژنیک است.

2. 2. بررسی پروتکل “ACC”

ایجاد و استفاده از حیوانات ترانس ژنیک تابع همه ملاحظاتی است که توسط دستورالعمل‌های “CCAC” در مورد بررسی پروتکل استفاده از حیوانات مطرح شده است.

مانند همه‌ی آزمایش‌های حیوانی، توجیه استفاده از حیوانات ترانس ژنیک شامل سنجیدن مزایای احتمالی آزمایش (به عنوان مثال، پیشرفت در دانش زیست‌پزشکی، درک و درمان بیماری، بهبود در تولید مواد غذایی یا دارویی) در مقابل در نظر گرفتن هزینه اخلاقی آزمایش از نظر رنج احتمالی حیوان. این امر به ویژه برای حیوانات ترانس ژنیک جدید دشوار است؛ زیرا نمی‌توان با اطمینان مطلق پیش‌بینی کرد که یک دست‌کاری ترانس ژنیک جدید چه تأثیری بر حیوانات خواهد داشت. به همین دلیل، پروتکل باید شامل یک استراتژی برای پرداختن به رنج‌های پیش‌بینی‌نشده و ایجاد نقاط پایانی برای خاتمه آزمایش باشد. به این دلایل، دستورالعمل‌ها نیاز به تکمیل یک برگه اطلاعات ترانس ژنیک با ارسال پروتکل دارند. علاوه بر این، یک پروتکل جداگانه برای ایجاد یک حیوان ترانس ژنیک جدید و برای استفاده بعدی از آن مورد نیاز است. بررسی پروتکل‌های استفاده از حیوانات ترانس ژنیک باید علاوه بر اثرات متعاقب این روش‌ها، اثرات اصلاحات تراریخته بر روی خود حیوان را نیز در نظر بگیرد.

مدیریت حیوانات آزمایشگاهی

مفاهیم تکنیک‌های ترانس ژنیک برای رفاه حیوانات توسط “Moore” و “Mepham” (1995) مورد بحث قرار گرفته است. جنبه‌های رفاهی خاص که باید در مورد حیوانات ترانس ژنیک در نظر گرفته شود، عبارتند از:

1. 1. میزان ناراحتی که والدین در طی مراحل آزمایشی ایجاد حیوانات ترانس ژنیک تجربه می‌کنند
2. 2. تأثیر بیان ژن ترانس ژنیک (ژن اصلاح‌‌شده درج‌شده) بر روی حیوانات ترانس ژنیک ایجاد‌شده
3. 3. تأثیر بیان ژن ترانس ژنیک بر فرزندان آنها

ایجاد و حفظ خطوط، مستلزم مدیریتی دقیق است. به عنوان بخشی از فرآیند کلی ایجاد حیوانات ترانس ژنیک، حیوان مورد استفاده باید به دقت شناسایی شود. کارت قفس و سوابق خوب با جزئیات اطلاعات پرورش، لازم است تا بتوان با قطعیت، خصوصیات و تغییرات ژنتیکی حیوان را شناسایی کرد. داده‌های ثبت‌شده باید شامل هویت، نژاد، شجره و هر گونه داده مرتبط دیگر مانند تاریخ، مشاهدات یا اطلاعات تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی باشد. از آنجایی که حیوانات ترانس ژنیک به‌راحتی قابل تعویض نیستند، هزینه نگهداری، عامل مهمی در طراحی آزمایشی ترانس ژنیک است.

با توسعه حیوانات ترانس ژنیک، تنها یک تغییر ژنومی کوچک می‌تواند تغییرات غیرقابل پیش‌بینی و کاملا شدیدی را در سطح کل حیوان ایجاد کند. این چالش اصلی برای مدیریت حیوانات ترانس ژنیک است. بنابراین مهم است که یک روش روشن برای نظارت بر حیوانات و برای مقابله با رنج‌های پیش‌بینی‌نشده داشته باشیم.

کاربرد

از اواسط دهه 1980 موش‌های ترانس ژنیک به یک مدل کلیدی برای بررسی بیماری تبدیل شده‌اند. موش‌ها مدل انتخابی هستند؛ نه‌تنها به این دلیل که تجزیه و تحلیل گسترده‌ای از توالی ژنوم کامل آن وجود دارد، بلکه ژنوم آن شبیه به انسان است. علاوه بر این، آزمایش‌های فیزیولوژیکی و رفتاری انجام‌شده بر روی موش‌ها را می‌توان مستقیما به بیماری انسان تعمیم داد.

جوندگان ترانس ژنیک نقش مهمی در کشف و توسعه دارو دارند. مهم‌تر از همه، آن‌ها دانشمندان را قادر می‌سازند تا عملکرد ژن‌های خاص را در سطح کل ارگانیسم مطالعه کنند که مطالعه فیزیولوژی و بیولوژی بیماری را افزایش داده و شناسایی اهداف دارویی جدید را تسهیل کرده است. با توجه به شباهت آن‌ها در فیزیولوژی و عملکرد ژنی بین انسان و جوندگان، جوندگان ترانس ژنیک می‌توانند برای تقلید از بیماری‌های انسانی ایجاد شوند. در واقع، مجموعه‌ای از مدل‌های موش تراریخته برای این منظور تولید شده است. از موش‌ها به عنوان مدل برای مطالعه چاقی، بیماری قلبی، دیابت، آرتریت، سوء مصرف مواد، اضطراب، پیری، بیماری آلزایمر و بیماری پارکینسون استفاده می‌شود. آن‌ها همچنین برای مطالعه اشکال مختلف سرطان استفاده می‌شوند. علاوه بر این، خوک‌های ترانس ژنیک به‌عنوان منبعی از اعضای بدن برای پیوند، مورد بررسی قرار می‌گیرند که در صورت اثبات بی‌خطر‌بودن بالینی می‌تواند بر برخی از کمبودهای شدید اعضای اهداکننده غلبه کند. توسعه حیوانات ترانس ژنیک اخیرا با ظهور ابزار ویرایش ژن جدید “CRISPR” تغییر یافته است که تعداد مراحل درگیر در ایجاد حیوانات ترانس ژنیک را به‌شدت کاهش داده و کل فرآیند را بسیار سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر می‌کند.

مزیت حیوانات ترانس ژنیک

در آزمایش ایمنی واکسن‌ها از حیوانات ترانس ژنیک استفاده می‌شود. از حیوانات ترانس ژنیک می‌توان برای مطالعه تنظیم ژن‌ها و عملکرد آن‌ها در بدن استفاده کرد. برخی از مزیت‌های حیوانات ترانس ژنیک عبارتند از:

1. فیزیولوژی و رشد طبیعی

فاکتور رشد با واردکردن یک ژن خارجی در حیوانات ترانس ژنیک تغییر می‌کند. این حیوانات مطالعه تنظیم ژن و تأثیر آن بر عملکردهای روزمره بدن را تسهیل می‌کنند.

2. مطالعه بیماری‌ها

این حیوانات ترانس ژنیک به‌طور ویژه برای مطالعه عملکرد ژن‌ها در ایجاد بیماری‌های خاص طراحی شده‌اند. علاوه بر این، برای یافتن راه‌حلی برای بیماری، از حیوانات ترانس ژنیک به عنوان ارگانیسم‌های مدل استفاده می‌شود. این مدل‌های ترانس ژنیک در تحقیقات برای توسعه داروها استفاده می‌شوند؛ برای مثال ما مدل‌های ترانس ژنیک برای بیماری‌هایی مانند آلزایمر و سرطان داریم.

3. محصولات بیولوژیکی

حیوانات ترانس ژنیک در به دست آوردن محصولات بیولوژیکی مانند داروها و مکمل‌های غذایی، مفید هستند. برخی از محصولات بیولوژیکی مانند داروها و مکمل‌های غذایی از حیوانات ترانس ژنیک تولید می‌شوند و به دست می‌آیند. تحقیقات برای ساخت داروهایی برای درمان بیماری‌هایی مانند فنیل کتونوری (PKU) و آمفیزم ارثی در حال انجام است. “Rosie” اولین گاو ترانس ژنیک در سال 1997 بود که شیری تولید کرد که سرشار از پروتئین انسانی بود. او حدود 2.4 گرم در لیتر شیر تولید می‌کرد. این شیر حاوی ژن انسانی آلفا لاکتالبومین است و می‌تواند به عنوان جایگزینی برای شیر طبیعی به نوزادان داده شود.

4. ایمنی واکسن

برای آزمایش ایمنی واکسن‌ها، از این حیوانات ترانس ژنیک قبل از تزریق به انسان به عنوان مدل استفاده می‌شود. این کار بیشتر روی میمون‌ها انجام می‌شد.

در پایان

حیوانات ترانس ژنیک با کمی ویژگی فنی، پسرعموهای نزدیک به حیوانات شبیه‌سازی‌شده هستند. توسعه تکنیک‌های تولید حیوانات ترانس ژنیک پیشرفت بسیار مهمی در علم بوده است.

بسیاری از ابزارهایی که قبلا برای اصلاح نژاد دام، ژنتیک و تغذیه استفاده می‌شد، نقش مهمی در انتخاب، تکثیر و مدیریت ویژگی‌های مطلوب و مهم اقتصادی در دام داشته و خواهند داشت. در آینده، تولیدات دامی به‌شدت به پیشرفت‌های بیوتکنولوژیکی موجود و در حال ظهور برای تولید غذای ما متکی خواهد بود. با این حال، هنوز هم در ترکیب محصول و کارایی تولید به بهبودهایی نیاز است؛ به ویژه در رشد، مقاومت در برابر بیماری و تولید مثل دام اصلاح‌شده ژنتیکی (ترانس ژنیک). سلول‌های بنیادی و سایر بیوتکنولوژی‌های نوظهور، نقش مهمی در تولید بیشتر و با کیفیت‌تر مواد غذایی حاصل از دام خواهند داشت.

نویسنده: حدیث پرهیزگاری

ویراستار: سارا تاجداری

Refrences:

• https://whatisbiotechnology.org/index.php/science/summary/transgenic/transgenic-animals-have-genes-from-other-species-inserted#:~:text=Transgenic%20animals%20can%20also%20be,carry%20a%20DNA%20of%20interest
• Gordon, J.; Ruddle, F. (1981-12-11). “Integration and stable germ line transmission of genes injected into mouse pronuclei”. Science. 214 (4526): 1244–1246. Bibcode:1981Sci…214.1244G. doi:10.1126/science.6272397. ISSN 0036-8075. PMID 6272397
• Hinnen, A; Hicks, JB; Fink, GR (1978). “Transformation of yeast”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 75 (4): 1929–1933. Bibcode:1978PNAS…75.1929H. doi:10.1073/pnas.75.4.1929. PMC 392455. PMID 347451
• Bryan D. Ness, ed. (February 2004). “Transgenic Organisms”. Encyclopedia of Genetics (Rev. ed.). Pacific Union College. ISBN 1-58765-149-1.
• https://people.ucalgary.ca/~browder/transgenic.html
• https://www.genome.gov/genetics-glossary/Transgenic#:~:text=Transgenic%20refers%20to%20an%20organism,the%20laboratory%20for%20research%20purposes
• https://byjus.com/biology/transgenic-animals/
• “Background: Cloned and Genetically Modified Animals”. Center for Genetics and Society. April 14, 2005.
• “Knockout Mice”. National Human Genome Research Institute. August 27, 2015.
• Singh, M.; Murriel, C. L.; Johnson, L. (16 May 2012). “Genetically Engineered Mouse Models: Closing the Gap between Preclinical Data and Trial Outcomes”. Cancer Research. 72 (11): 2695–2700. doi:10.1158/0008-5472.CAN-11-2786. PMID 22593194.
• Abate-Shen, C.; Pandolfi, P. P. (30 September 2013). “Effective Utilization and Appropriate Selection of Genetically Engineered Mouse Models for Translational Integration of Mouse and Human Trials”. Cold Spring Harbor Protocols. 2013 (11): 1006–1011. doi:10.1101/pdb.top078774. PMC 4382078. PMID 24173311
• Sharpless, Norman E.; DePinho, Ronald A. (September 2006). “The mighty mouse: genetically engineered mouse models in cancer drug development”. Nature Reviews Drug Discovery. 5 (9): 741–754. doi:10.1038/nrd2110. ISSN 1474-1784. PMID 16915232. S2CID 7254415
• Venken, K. J. T.; Bellen, H. J. (2007). “Transgenesis upgrades for Drosophila melanogaster”. Development. 134 (20): 3571–3584. doi:10.1242/dev.005686. PMID 17905790
• Oberstein, A.; Pare, A.; Kaplan, L.; Small, S. (2005). “Site-specific transgenesis by Cre-mediated recombination in Drosophila”. Nature Methods. 2 (8): 583–585. doi:10.1038/nmeth775. PMID 16094382. S2CID 24887960
• Long, Charles (2014-10-01). “Transgenic livestock for agriculture and biomedical applications”. BMC Proceedings. 8 (Suppl 4): O29. doi:10.1186/1753-6561-8-S4-O29. ISSN 1753-6561. PMC 4204076
• https://www.vedantu.com/biology/transgenic-animals
• https://people.ucalgary.ca/~browder/guidelines.html