Een overzicht van genetische manipulatie
Genetische manipulatie is de doelbewuste wijziging van het DNA van een organisme. Vooruitgang op dit gebied heeft wetenschappers in staat gesteld om genetisch gemodificeerde cellen en organismen te genereren voor biomedisch onderzoek en landbouwdoeleinden. De toepassing van genetische technologieën voor gebruik als therapie bij mensen, bekend als gentherapie, is echter nog steeds een werk in uitvoering.
In deze video bespreken we enkele belangrijke ontdekkingen in de geschiedenis van genetische manipulatie, belangrijke vragen die vandaag de dag worden bestudeerd, belangrijke hulpmiddelen voor het wijzigen van het genoom van een organisme en verschillende toepassingen van deze technologieën.
Laten we beginnen met het bekijken van de geschiedenis van genetische manipulatie.
Het vermogen van wetenschappers om genen direct te manipuleren, hing af van het oplossen van de identiteit van het genetische materiaal. In 1928 observeerde Frederick Griffith dat het injecteren van een mix van hittedoden virulente bacteriën en een levende, maar niet-virulente, stam in muizen ziekte veroorzaakte, wat hem ertoe bracht een hypothetische 'transformatieprincipe' te formuleren dat van de dode naar de levende bacteriën werd overgedragen.
In 1944 identificeerden Oswald Avery, Colin Macleod en Maclyn McCarty het DNA van de bacteriën als verantwoordelijk voor deze transformatie. Het resultaat werd verder bevestigd in 1952, toen Alfred Hershey en Martha Chase radioactief gelabelde bacteriofagen gebruikten om aan te tonen dat het de DNA van het virus is, en niet het eiwit, dat tijdens de infectie van bacteriecellen werd overgedragen.
Ook in 1952 formuleerde Joshua Lederberg de hypothese van het bestaan van plasmiden - kleine, ronde stukjes DNA die tussen bacteriën kunnen worden overgedragen. Rond dezelfde tijd beschreef hij ook transductie, waarbij virussen fungeren als vectoren om DNA tussen cellen over te dragen.
Vanaf ongeveer 1970 begonnen onderzoekers zoals Hamilton Smith enkele van de praktische 'hulpmiddelen' van genetische manipulatie te ontdekken, zoals restrictie-endonucleasen, die DNA op specifieke sequenties 'snijden'. Met behulp van deze hulpmiddelen genereerde Paul Berg in 1972 het eerste 'recombinante' DNA-molecuul door DNA van twee verschillende virussen samen te voegen, en parallel hieraan genereerden Stanley Cohen en Herbert Boyer het eerste recombinante organisme door een antibioticaresistentiegen op een plasmide te plaatsen en dat construct in de bacterie E. coli te transformeren.
In 1973 creëerde Rudolf Jaenisch het eerste transgene meercellige organisme, een muis die SV40-viraal DNA bevatte, hoewel het pas in 1981 was dat verschillende andere laboratoria de eerste transgene muizen creëerden die de ingebrachte genen aan hun nakomelingen konden overdragen. In het midden van de jaren tachtig vestigden Mario Capecchi en Oliver Smithies als eersten dat homologe recombinatie kon worden gebruikt om specifiek genen te targeten, en in 1989 gebruikten ze deze methode om de eerste knockout-muis te genereren, waarbij een gen niet-functioneel werd gemaakt.
Laten we nu enkele belangrijke vragen in genetische manipulatie bekijken.
Een integraal onderzoeksgebied is het bepalen van de beste methode voor het wijzigen van het genoom van een organisme. Er zijn een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden, waaronder de efficiëntie van het wijzigingsproces, evenals of de wijziging gericht moet zijn op specifieke genen om de risico's van onbedoelde wijzigingen in cellulair DNA te minimaliseren.
Om het genoom van een gastherceel te wijzigen, moet de kunstmatig samengestelde DNA-sequentie voor het maken van deze wijziging, bekend als een 'genetisch construct', met succes in die cel worden geleverd. Onderzoek in dit gebied is gericht op het maximaliseren van de efficiëntie terwijl de cytotoxiciteit wordt beperkt. Op organismenniveau bestuderen onderzoekers hoe vectoren zoals retrovirale deeltjes of nanodeeltjes kunnen worden gewijzigd om de levering van constructen aan doelcellenpopulaties te verbeteren.
Ten slotte is er veel belangstelling voor de vraag of genetische manipulatie met succes kan worden toegepast op landbouw- of therapeutische toepassingen. Deze technologieën zijn gebruikt om krachtige onderzoeksinstrumenten te genereren, zoals muizen met genen die zijn verwijderd of 'uitgeschakeld', of om eenvoudige, enkele eigenschappen zoals herbicideresistentie in gewassen in te voegen. Complexe problemen, zoals het genereren van gewassen die in ongunstige omstandigheden gedijen, zullen echter waarschijnlijk de gelijktijdige wijziging van meerdere paden vereisen. Bovendien blijft de ontwikkeling van gentherapieën voor de behandeling van genetische ziekten, die een veilige en effectieve levering van genetische constructen aan menselijke cellen vereisen, een uitdagende taak.
Laten we nu eens kijken naar de genetische manipulatiehulpmiddelen en -technologieën die door onderzoekers worden gebruikt.
De klassieke methode voor het genereren van genetische constructen is restrictie-enzymgebaseerde klonen, waarbij DNA-stukken worden verteerd en vervolgens op specifieke volgorde worden gecombineerd met behulp van DNA-ligasen om een nieuw plasmide te creëren. Nieuwere technieken omvatten recombineering, die homologe recombinatie gebruikt om DNA-fragmenten te isoleren en uit te wisselen zonder de noodzaak van restrictie-enzymverteringsplaatsen.
DNA kan op verschillende manieren in cellen worden gebracht. Transformatie of transfectie is het proces van het krijgen van naakt DNA in respectievelijk bacteriële of eukaryote cellen. Tweewaardige kationen, zoals calcium, kunnen celmembranen poreuzer maken, wat de opname van exogene DNA-moleculen zal verhogen. Elektroporatie gebruikt een elektrisch veld om dezelfde taak te verrichten, terwijl lipo-nanodeeltjes die het DNA omringen, zich kunnen versmelten met het celmembraan en hun lading vrijgeven. Transductie verwijst naar de overdracht van DNA door een virale vector, zoals een lentivirus.
Het leveren van genetische constructen aan meercellige organismen vereist aanvullende overwegingen. Wanneer er meerdere celtypen aanwezig zijn, verhogen gerichte vectoren zoals virussen of nanodeeltjes
Genetische engineering – het proces van het doelbewust veranderen van het DNA van een organisme – is gebruikt om krachtige onderzoekstools en modelorg…
Genetische manipulatie is de doelbewuste wijziging van het DNA van een organisme. Vooruitgang op dit gebied heeft wetenschappers in staat gesteld om genetisch gemodificeerde cellen en organismen te genereren voor biomedisch onderzoek en landbouwdoeleinden. De toepassing van genetische technologieën voor gebruik als therapie bij mensen, bekend als gentherapie, is echter nog steeds een werk in uitvoering.
In deze video bespreken we enkele belangrijke ontdekkingen in de geschiedenis van genetische manipulatie, belangrijke vragen die vandaag de dag worden bestudeerd, belangrijke hulpmiddelen voor het wijzigen van het genoom van een organisme en verschillende toepassingen van deze technologieën.
Laten we beginnen met het bekijken van de geschiedenis van genetische manipulatie.
Het vermogen van wetenschappers om genen direct te manipuleren, hing af van het oplossen van de identiteit van het genetische materiaal. In 1928 observeerde Frederick Griffith dat het injecteren van een mix van hittedoden virulente bacteriën en een levende, maar niet-virulente, stam in muizen ziekte veroorzaakte, wat hem ertoe bracht een hypothetische 'transformatieprincipe' te formuleren dat van de dode naar de levende bacteriën werd overgedragen.
In 1944 identificeerden Oswald Avery, Colin Macleod en Maclyn McCarty het DNA van de bacteriën als verantwoordelijk voor deze transformatie. Het resultaat werd verder bevestigd in 1952, toen Alfred Hershey en Martha Chase radioactief gelabelde bacteriofagen gebruikten om aan te tonen dat het de DNA van het virus is, en niet het eiwit, dat tijdens de infectie van bacteriecellen werd overgedragen.
Ook in 1952 formuleerde Joshua Lederberg de hypothese van het bestaan van plasmiden - kleine, ronde stukjes DNA die tussen bacteriën kunnen worden overgedragen. Rond dezelfde tijd beschreef hij ook transductie, waarbij virussen fungeren als vectoren om DNA tussen cellen over te dragen.
Vanaf ongeveer 1970 begonnen onderzoekers zoals Hamilton Smith enkele van de praktische 'hulpmiddelen' van genetische manipulatie te ontdekken, zoals restrictie-endonucleasen, die DNA op specifieke sequenties 'snijden'. Met behulp van deze hulpmiddelen genereerde Paul Berg in 1972 het eerste 'recombinante' DNA-molecuul door DNA van twee verschillende virussen samen te voegen, en parallel hieraan genereerden Stanley Cohen en Herbert Boyer het eerste recombinante organisme door een antibioticaresistentiegen op een plasmide te plaatsen en dat construct in de bacterie E. coli te transformeren.
In 1973 creëerde Rudolf Jaenisch het eerste transgene meercellige organisme, een muis die SV40-viraal DNA bevatte, hoewel het pas in 1981 was dat verschillende andere laboratoria de eerste transgene muizen creëerden die de ingebrachte genen aan hun nakomelingen konden overdragen. In het midden van de jaren tachtig vestigden Mario Capecchi en Oliver Smithies als eersten dat homologe recombinatie kon worden gebruikt om specifiek genen te targeten, en in 1989 gebruikten ze deze methode om de eerste knockout-muis te genereren, waarbij een gen niet-functioneel werd gemaakt.
Laten we nu enkele belangrijke vragen in genetische manipulatie bekijken.
Een integraal onderzoeksgebied is het bepalen van de beste methode voor het wijzigen van het genoom van een organisme. Er zijn een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden, waaronder de efficiëntie van het wijzigingsproces, evenals of de wijziging gericht moet zijn op specifieke genen om de risico's van onbedoelde wijzigingen in cellulair DNA te minimaliseren.
Om het genoom van een gastherceel te wijzigen, moet de kunstmatig samengestelde DNA-sequentie voor het maken van deze wijziging, bekend als een 'genetisch construct', met succes in die cel worden geleverd. Onderzoek in dit gebied is gericht op het maximaliseren van de efficiëntie terwijl de cytotoxiciteit wordt beperkt. Op organismenniveau bestuderen onderzoekers hoe vectoren zoals retrovirale deeltjes of nanodeeltjes kunnen worden gewijzigd om de levering van constructen aan doelcellenpopulaties te verbeteren.
Ten slotte is er veel belangstelling voor de vraag of genetische manipulatie met succes kan worden toegepast op landbouw- of therapeutische toepassingen. Deze technologieën zijn gebruikt om krachtige onderzoeksinstrumenten te genereren, zoals muizen met genen die zijn verwijderd of 'uitgeschakeld', of om eenvoudige, enkele eigenschappen zoals herbicideresistentie in gewassen in te voegen. Complexe problemen, zoals het genereren van gewassen die in ongunstige omstandigheden gedijen, zullen echter waarschijnlijk de gelijktijdige wijziging van meerdere paden vereisen. Bovendien blijft de ontwikkeling van gentherapieën voor de behandeling van genetische ziekten, die een veilige en effectieve levering van genetische constructen aan menselijke cellen vereisen, een uitdagende taak.
Laten we nu eens kijken naar de genetische manipulatiehulpmiddelen en -technologieën die door onderzoekers worden gebruikt.
De klassieke methode voor het genereren van genetische constructen is restrictie-enzymgebaseerde klonen, waarbij DNA-stukken worden verteerd en vervolgens op specifieke volgorde worden gecombineerd met behulp van DNA-ligasen om een nieuw plasmide te creëren. Nieuwere technieken omvatten recombineering, die homologe recombinatie gebruikt om DNA-fragmenten te isoleren en uit te wisselen zonder de noodzaak van restrictie-enzymverteringsplaatsen.
DNA kan op verschillende manieren in cellen worden gebracht. Transformatie of transfectie is het proces van het krijgen van naakt DNA in respectievelijk bacteriële of eukaryote cellen. Tweewaardige kationen, zoals calcium, kunnen celmembranen poreuzer maken, wat de opname van exogene DNA-moleculen zal verhogen. Elektroporatie gebruikt een elektrisch veld om dezelfde taak te verrichten, terwijl lipo-nanodeeltjes die het DNA omringen, zich kunnen versmelten met het celmembraan en hun lading vrijgeven. Transductie verwijst naar de overdracht van DNA door een virale vector, zoals een lentivirus.
Het leveren van genetische constructen aan meercellige organismen vereist aanvullende overwegingen. Wanneer er meerdere celtypen aanwezig zijn, verhogen gerichte vectoren zoals virussen of nanodeeltjes
Genetische manipulatie is de doelbewuste wijziging van het DNA van een organisme. Vooruitgang op dit gebied heeft wetenschappers in staat gesteld om genetisch gemodificeerde cellen en organismen te genereren voor biomedisch onderzoek en landbouwdoeleinden. De toepassing van genetische technologieën voor gebruik als therapie bij mensen, bekend als gentherapie, is echter nog steeds een werk in uitvoering.
In deze video bespreken we enkele belangrijke ontdekkingen in de geschiedenis van genetische manipulatie, belangrijke vragen die vandaag de dag worden bestudeerd, belangrijke hulpmiddelen voor het wijzigen van het genoom van een organisme en verschillende toepassingen van deze technologieën.
Laten we beginnen met het bekijken van de geschiedenis van genetische manipulatie.
Het vermogen van wetenschappers om genen direct te manipuleren, hing af van het oplossen van de identiteit van het genetische materiaal. In 1928 observeerde Frederick Griffith dat het injecteren van een mix van hittedoden virulente bacteriën en een levende, maar niet-virulente, stam in muizen ziekte veroorzaakte, wat hem ertoe bracht een hypothetische 'transformatieprincipe' te formuleren dat van de dode naar de levende bacteriën werd overgedragen.
In 1944 identificeerden Oswald Avery, Colin Macleod en Maclyn McCarty het DNA van de bacteriën als verantwoordelijk voor deze transformatie. Het resultaat werd verder bevestigd in 1952, toen Alfred Hershey en Martha Chase radioactief gelabelde bacteriofagen gebruikten om aan te tonen dat het de DNA van het virus is, en niet het eiwit, dat tijdens de infectie van bacteriecellen werd overgedragen.
Ook in 1952 formuleerde Joshua Lederberg de hypothese van het bestaan van plasmiden - kleine, ronde stukjes DNA die tussen bacteriën kunnen worden overgedragen. Rond dezelfde tijd beschreef hij ook transductie, waarbij virussen fungeren als vectoren om DNA tussen cellen over te dragen.
Vanaf ongeveer 1970 begonnen onderzoekers zoals Hamilton Smith enkele van de praktische 'hulpmiddelen' van genetische manipulatie te ontdekken, zoals restrictie-endonucleasen, die DNA op specifieke sequenties 'snijden'. Met behulp van deze hulpmiddelen genereerde Paul Berg in 1972 het eerste 'recombinante' DNA-molecuul door DNA van twee verschillende virussen samen te voegen, en parallel hieraan genereerden Stanley Cohen en Herbert Boyer het eerste recombinante organisme door een antibioticaresistentiegen op een plasmide te plaatsen en dat construct in de bacterie E. coli te transformeren.
In 1973 creëerde Rudolf Jaenisch het eerste transgene meercellige organisme, een muis die SV40-viraal DNA bevatte, hoewel het pas in 1981 was dat verschillende andere laboratoria de eerste transgene muizen creëerden die de ingebrachte genen aan hun nakomelingen konden overdragen. In het midden van de jaren tachtig vestigden Mario Capecchi en Oliver Smithies als eersten dat homologe recombinatie kon worden gebruikt om specifiek genen te targeten, en in 1989 gebruikten ze deze methode om de eerste knockout-muis te genereren, waarbij een gen niet-functioneel werd gemaakt.
Laten we nu enkele belangrijke vragen in genetische manipulatie bekijken.
Een integraal onderzoeksgebied is het bepalen van de beste methode voor het wijzigen van het genoom van een organisme. Er zijn een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden, waaronder de efficiëntie van het wijzigingsproces, evenals of de wijziging gericht moet zijn op specifieke genen om de risico's van onbedoelde wijzigingen in cellulair DNA te minimaliseren.
Om het genoom van een gastherceel te wijzigen, moet de kunstmatig samengestelde DNA-sequentie voor het maken van deze wijziging, bekend als een 'genetisch construct', met succes in die cel worden geleverd. Onderzoek in dit gebied is gericht op het maximaliseren van de efficiëntie terwijl de cytotoxiciteit wordt beperkt. Op organismenniveau bestuderen onderzoekers hoe vectoren zoals retrovirale deeltjes of nanodeeltjes kunnen worden gewijzigd om de levering van constructen aan doelcellenpopulaties te verbeteren.
Ten slotte is er veel belangstelling voor de vraag of genetische manipulatie met succes kan worden toegepast op landbouw- of therapeutische toepassingen. Deze technologieën zijn gebruikt om krachtige onderzoeksinstrumenten te genereren, zoals muizen met genen die zijn verwijderd of 'uitgeschakeld', of om eenvoudige, enkele eigenschappen zoals herbicideresistentie in gewassen in te voegen. Complexe problemen, zoals het genereren van gewassen die in ongunstige omstandigheden gedijen, zullen echter waarschijnlijk de gelijktijdige wijziging van meerdere paden vereisen. Bovendien blijft de ontwikkeling van gentherapieën voor de behandeling van genetische ziekten, die een veilige en effectieve levering van genetische constructen aan menselijke cellen vereisen, een uitdagende taak.
Laten we nu eens kijken naar de genetische manipulatiehulpmiddelen en -technologieën die door onderzoekers worden gebruikt.
De klassieke methode voor het genereren van genetische constructen is restrictie-enzymgebaseerde klonen, waarbij DNA-stukken worden verteerd en vervolgens op specifieke volgorde worden gecombineerd met behulp van DNA-ligasen om een nieuw plasmide te creëren. Nieuwere technieken omvatten recombineering, die homologe recombinatie gebruikt om DNA-fragmenten te isoleren en uit te wisselen zonder de noodzaak van restrictie-enzymverteringsplaatsen.
DNA kan op verschillende manieren in cellen worden gebracht. Transformatie of transfectie is het proces van het krijgen van naakt DNA in respectievelijk bacteriële of eukaryote cellen. Tweewaardige kationen, zoals calcium, kunnen celmembranen poreuzer maken, wat de opname van exogene DNA-moleculen zal verhogen. Elektroporatie gebruikt een elektrisch veld om dezelfde taak te verrichten, terwijl lipo-nanodeeltjes die het DNA omringen, zich kunnen versmelten met het celmembraan en hun lading vrijgeven. Transductie verwijst naar de overdracht van DNA door een virale vector, zoals een lentivirus.
Het leveren van genetische constructen aan meercellige organismen vereist aanvullende overwegingen. Wanneer er meerdere celtypen aanwezig zijn, verhogen gerichte vectoren zoals virussen of nanodeeltjes
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What key discoveries established DNA as the genetic material?
Frederick Griffith's 1928 experiments with bacteria suggested a transforming principle. Oswald Avery, Colin Macleod, and Maclyn McCarty identified DNA as responsible for transformation in 1944. Alfred Hershey and Martha Chase confirmed in 1952 that viral DNA, not protein, transmits genetic information during bacterial infection using radioactively labeled bacteriophage.
Q2: How do restriction enzymes and DNA ligases work together in genetic engineering?
Restriction enzymes cut DNA at specific sequences, breaking it into fragments. DNA ligases then join these fragments in desired orders to create new plasmids. This restriction enzyme-based cloning method was foundational for generating genetic constructs before newer techniques like recombineering and gene targeting emerged.
Q3: What are the main methods for delivering DNA into cells?
Transformation and transfection use divalent cations like calcium to increase cell membrane permeability for naked DNA uptake. Electroporation applies electric fields for the same purpose. Lipid nanoparticles surround DNA and fuse with membranes, while transduction uses viral vectors like lentiviruses to transfer genetic material into cells.
Q4: How do homologous recombination and genome editing differ in targeting genes?
Homologous recombination allows integration into specific genomic sites by matching DNA sequences, enabling precise gene targeting. Genome editing uses custom-designed nucleases to generate double-strand breaks at specific loci, greatly improving targeting efficiency. Both techniques minimize off-target effects compared to random DNA integration.
Q5: What is the difference between knockout mice and transgenic mice?
Transgenic mice contain inserted foreign genes, like SV40 viral DNA, and can pass these genes to offspring. Knockout mice have specific genes rendered nonfunctional through homologous recombination. Rudolf Jaenisch created the first transgenic mouse in 1973, while Mario Capecchi and Oliver Smithies generated the first knockout mouse in 1989.
Q6: How is genetic engineering applied to treat cancer using gene therapy?
Researchers target cancer cells that over-express surface receptors using adenoviral vectors. In bladder cancer models, topical delivery of the vector to cancer cells enables successful gene transfer. Luciferase reporter genes confirm successful delivery, demonstrating how gene therapy can target specific cancer cell populations for therapeutic intervention.
Q7: What challenges remain in applying genetic engineering to complex agricultural problems?
Simple traits like herbicide resistance are achievable, but complex problems such as stress tolerance require modifying multiple pathways simultaneously. Safe and efficient delivery of genetic constructs to target cells remains challenging. Additionally, minimizing off-target effects and ensuring long-term stability of modifications are critical considerations for successful agricultural applications.
Hoofdstukken in deze video
0:00
Overview
0:49
Historical Highlights
3:41
Key Questions
5:25
Prominent Methods
8:09
Applications
10:11
Summary