유전 공학의 개요

유전 공학은 유기체의 DNA의 의도적인 변경입니다. 이 분야의 발전은 과학자가 생물 의학 연구 및 농업 목적을 위해 유전자 변형 된 세포와 유기체를 생성 할 수있었습니다. 그러나, 유전자 치료로 알려진 인간에서 치료로 사용하기 위한 유전 기술의 적용은 여전히 진행 중인 작업입니다.

이 비디오에서는 유전 공학 의 역사에서 몇 가지 중요한 발견, 오늘 연구되는 주요 질문, 유기체의 게놈 을 바꾸기위한 중요한 도구 및 이러한 기술의 여러 응용 분야에 대해 논의 할 것입니다.

먼저 유전 공학의 역사를 검토해 봅시다.

유전자를 직접 조작하는 과학자의 능력은 유전 물질의 정체성을 해결하는 데 달려 있습니다. 1928년, 프레드릭 그리피스는 열에 의한 악성 박테리아와 살아있는 박테리아를 혼합하여 주입하지만, 생쥐에 대한 비악성 균주를 주입하여 질병을 일으켜 죽은 자로부터 살아있는 박테리아로 옮겨가는 "변형 원리"를 가설하는 것을 목격했습니다.

에서 1944, 오스왈드 에이버리, 콜린 맥클리오드, 맥클린 맥카티는이 변환에 대한 책임으로 박테리아의 DNA를 확인했다. 결과는 1952년에, 알프레드 허쉬와 마사 체이스가 세균세포의 감염 도중 전염된 바이러스의 DNA이고 단백질이 아니라는 것을 보여주기 위하여 방사성 표지된 박테리오파지를 사용했을 때, 추가적으로 유효했습니다.

또한 1952년, 조슈아 레더버그는 박테리아 간에 전염될 수 있는 작고 둥근 DNA 조각인 플라스미드의 존재를 가설시켰습니다. 같은 시기에 그는 바이러스가 세포 간에 DNA를 전달하는 벡터역할을 하는 트랜스듀션을 설명했습니다.

1970년 경부터 해밀턴 스미스와 같은 연구자들은 특정 서열에서 DNA를 "잘라"하는 제한 엔도니엔리스와 같은 유전 공학의 실용적인 "도구"를 발견하기 시작했습니다. 이러한 도구를 사용하여, 1972년, 폴 버그는 두 개의 다른 바이러스에서 DNA를 결합하여 최초의 "재조합" DNA 분자를 생성하고, 동시에, 스탠리 코헨과 허버트 보이어는 플라스미드에 항생제 내성 유전자를 배치하고 박테리아 E. 대장균으로구성하는 변형을 통해 최초의 재조합 유기체를 생성했다.

1973년, 루돌프 재니쉬는 SV40 바이러스 DNA를 함유한 최초의 형질전환 다세포 유기체를 만들었는데, 1981년 여러 다른 실험실에서 삽입된 유전자를 자손에게 전달할 수 있는 최초의 트랜스제닉 마우스를 만들었습니다. 1980년대 중반, 마리오 카피치와 올리버 스미시스는 동종 재조합이 유전자를 구체적으로 표적으로 하는 데 사용될 수 있다는 것을 처음 확립했으며, 1989년에는 유전자가 기능적이지 않게 렌더링되는 첫 번째 녹아웃 마우스를 생성하는 데 이 방법을 사용했습니다.

다음으로, 유전 공학의 몇 가지 주요 질문을 살펴보겠습니다.

연구의 한 가지 필수적인 영역은 유기체의 게놈을 수정하는 가장 좋은 방법을 결정하는 것입니다. 변형 과정의 효율성을 포함하여 여러 가지 요인을 고려해야 하며, 변형이 특정 유전자를 대상으로 하여 세포 DNA에 의도하지 않은 변경의 위험을 최소화해야 하는지 여부를 고려해야 합니다.

숙주 세포의 게놈을 수정하기 위하여는, "유전 구조물"로 알려져 있는 이 수정을 만들기 위한 인위적으로 조립된 DNA 순서는 성공적으로 그 세포로 전달되어야 합니다. 이 분야의 연구는 세포 독성을 제한하면서 효율성을 극대화하는 것을 목표로합니다. 유기체 수준에서, 연구원은 표적 세포 집단에 구조 납품을 향상하기 위하여 레트로 바이러스 입자 또는 나노 입자와 같은 벡터를 수정하는 방법을 연구합니다.

마지막으로, 유전 공학이 농업 또는 치료 용도에 성공적으로 적용될 수 있는지에 대한 관심이 많습니다. 이러한 기술은 유전자가 삭제되거나 "녹아웃"된 마우스와 같은 강력한 연구 도구를 생성하거나 제초제 저항과 같은 간단한 단일 특성을 작물에 삽입하는 데 사용되었습니다. 그러나, 불리 한 조건에서 번성 하는 작물을 생성 등 복잡 한 문제, 가능성이 동시에 여러 경로 수정 해야 합니다. 또한 유전 질환을 치료하기 위한 유전자 치료법을 개발하고, 인간 세포에 유전자 구조를 안전하고 효과적으로 전달해야 하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.

이제 연구원이 사용하는 유전 공학 도구와 기술을 살펴보겠습니다.

유전 구조를 생성하는 고전적인 방법은 DNA 조각이 소화되고 새로운 플라스미드를 만들기 위해 DNA 리개세스를 사용하여 특정 순서로 재결합되는 효소 기반 복제를 제한합니다. 새로운 기술은 제한 효소 소화 부위없이 DNA 단편을 분리하고 교환하기 위해 동종 재조합을 사용하는 재결합을 포함한다.

DNA는 여러 가지 방법으로 세포로 전달될 수 있다. 변환 또는 형질전환은 세균성 또는 진핵 세포로 육안으로 DNA를 얻는 과정입니다, 각각. 칼슘과 같은 이원성 양이온은 세포막을 다공성으로 만들 수 있으며, 이는 외인성 DNA 분자의 섭취를 증가시킬 것입니다. 전기화는 전기장을 사용하여 동일한 작업을 수행하는 반면 DNA를 둘러싼 지질 나노 입자는 세포막과 융합되어 페이로드를 방출할 수 있습니다. 트랜스유도는 렌티바이러스와 같은 바이러스 벡터에 의한 DNA의 전달을 말한다.

다세포 유기체로 유전 구조를 전달하는 것은 추가 고려사항이 필요합니다. 다중 세포 유형이 존재할 때, 바이러스 또는 나노입자와 같은 표적 벡터는 세포 전달의 특이성을 증가시킵니다. 식물에서, 연구원은 유전자 전달 공구로, 심혈구에 DNA를 전송할 수 있는 식물 병원체인 agrobacterium를 공동 선택했습니다. "생물 목록"은 DNA 코팅 금 구슬을 세포로 전달하기 위해 "유전자 총"을 사용하는 것을 말합니다.

마지막으로, 전달된 DNA 구조는 장기 효력을 달성하기 위하여 호스트 게놈에 영구적인 변경을 할 필요가 있습니다. 이것은 전달된 DNA 구조의 무작위 통합에 의해 호스트 DNA로 생길 수 있고, 이는 트랜스포지아제에게 불린 DNA "잘라내기 및 붙여넣기" 효소를 위한 인식 사이트로 구조물을 태그해서 향상될 수 있습니다. 한편, 동종재조합을 통한 유전자 표적화 와 같은 기술은 특정 게놈 부위에 통합할 수 있다. 특정 loci에서 이중 가닥 휴식을 생성하기 위해 사용자 정의 설계 뉴클레아를 사용하는 게놈 편집으로 알려진 기술의 최근 발전은 유전자 표적화 효율성을 크게 향상시킵니다.

이제 유전 공학 기술이 오늘날 어떻게 적용되고 있는지 살펴보겠습니다.

진핵생물의 세포 기능은 세포기관으로 구획화되고, 개별 구획에 대한 형질전환 단백질 발현을 표적으로 하는 것은 보다 구체적인 생물학적 효과를 허용할 수 있다. 이 실험에서 연구자들은 깁슨 어셈블리 기술을 사용하여 GFP 태그기자 구조를 생성했는데, 여기서 여러 PCR 제품 간에 겹치는 동종 영역은 제한 효소를 사용하지 않고 완전한 구조의 생성을 허용합니다. 생물학적 형 형질은 식물 세포로 이러한 구조를 전달하는 데 사용되었으며, 연구자들은 엽록소에 표적GFP 발현을 입증 할 수있었습니다.

암세포는 종종 과발특급 표면 수용체, 연구원은 유전자 치료를 사용하여 표적으로 할 수 있습니다. 여기서 과학자들은 마우스로 인간 방광암 모델을 확립했습니다. 이것은 방광 암세포에 adenoviral 벡터의 국소 납품에 선행됩니다. 암세포에서 의 루시파라제 발현의 관찰은 리포터 유전자의 성공적인 전달을 나타냈다.

마지막으로, 표적 유기체에서 완전한 생물학적 경로를 엔지니어링하는 데 진전이 이루어지고 있습니다. 여기서, 항생제 에리스로마이신을 위한 생합성 경로의 각 유전자는 숙주 박테리아인 사카로폴리스포라 에리스라에아로부터분리되어 PCR을 통해, 동일한 조절 요소에 의해 일련의 유전자가 제어되는 오페론 형 구조로 결합되어 최적의 발현을 허용하였다. 이러한 구조는 합성 경로를 재구성하기 위해 대장균으로 변형되었으며, 이종생성 된 제품은 정제되고 기능성을 테스트 할 수 있었습니다.

당신은 유전 공학에 대한 JoVE의 개요를 보았습니다. 이 비디오에서는 유전 공학의 역사에 대해 논의하고, 주요 질문, 현장의 도구를 검사하고, 유전 공학 응용 프로그램의 몇 가지 예를 제시했습니다. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!