Engenharia Genética de Organismos Modelo

Genetic Engineering of Model Organisms
JoVE Science Education
Developmental Biology
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JoVE Science Education Developmental Biology
Genetic Engineering of Model Organisms

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09:36 min
April 30, 2023

Overview

A transgênese, ou o uso da engenharia genética para alterar a expressão genética, é amplamente utilizada no campo da biologia do desenvolvimento. Os cientistas usam uma série de abordagens para alterar a função dos genes para entender seus papéis nos processos de desenvolvimento. Isso inclui a substituição de um gene por uma cópia não funcional, ou a adição de uma tag visualizal a um gene que permite que a proteína de fusão resultante seja rastreada durante todo o desenvolvimento.

Neste vídeo, os espectadores aprenderão sobre os princípios por trás da transgênese, bem como os passos básicos para introduzir construções genéticas em um animal e direcionar genes de interesse. Isso é seguido pela discussão de um protocolo para criar ratos nocaute. Por fim, algumas aplicações específicas de tecnologias transgênicas no campo da biologia do desenvolvimento serão revisadas.

Procedure

A engenharia genética é uma ferramenta valiosa usada para modificar genomas de organismos modelo em um processo conhecido como transgênese. Na biologia do desenvolvimento, essa abordagem é frequentemente usada para expressar genes modificados que podem ser visualizados em tecidos vivos. Alternativamente, a engenharia genética pode ser usada para prevenir ou interromper a expressão proteica para estudar a função de desenvolvimento de genes específicos.

Este vídeo vai resumir os princípios por trás dessa tecnologia, rever alguns procedimentos de engenharia genética e destacar maneiras de que essas técnicas são usadas em laboratório.

Para começar, vamos explorar alguns conceitos importantes subjacentes à transgênese. Isso envolve a inserção de DNA no genoma de um organismo modelo. Há uma série de abordagens dependendo do objetivo do estudo.

Primeiro, a adição de um gene alterado pode revelar alterações funcionais ou morfológicas devido a uma mutação. Outro método é colocar cópias adicionais do gene do tipo selvagem não beterado para estudar os efeitos da superexpressão, que muitas vezes pode ser tão prejudicial quanto uma mutação. Uma abordagem diferente é inserir uma proteína de fusão que contenha uma etiqueta visualizal, como proteína fluorescente verde, para rastrear a localização e o tempo da expressão genética em animais vivos.

O segmento de DNA que será inserido no genoma deve ser cuidadosamente projetado para produzir os padrões e resultados de expressão desejados. O promotor, que é um elemento de sequência que dita quando e onde um gene é expresso, é um componente crucial. Certos promotores são onipresentemente expressos em quase todos os tecidos, enquanto outros são ativos apenas em tecidos específicos. Promotores indutores, que são ativados pela administração química ou exposição a altas temperaturas, também podem ser usados para controlar o tempo de expressão genética.

Para ser expressado em tecidos, um transgene deve primeiro se integrar ao genoma. Para isso, transgenes podem incluir sequências de DNA de flanqueamento que correspondem a áreas do genoma do organismo. Isso permite que o transgene se integre ao DNA hospedeiro através de um processo conhecido como recombinação homologos. Alternativamente, em algumas espécies elementos especiais chamados transposons podem tornar a transgênese mais eficiente, incluindo locais de reconhecimento para a enzima transposase, que catalisa a inserção aleatória do transgêgênio no genoma.

Agora que você conhece alguns dos fundamentos do design transgênico, vamos rever como fazer um animal transgênico. Para fazer a construção transgênica, comece amplificando o gene de interesse usando PCR. Esta região amplificada é então clonada em um vetor, que é um pedaço de DNA que pode transportar o transgene para as células. Os vetores normalmente contêm elementos que permitem amplificação transgênica eficiente usando bactérias, como e. coli. Após esta etapa de amplificação, o vetor é purificado da cultura bacteriana.

Animais transgênicos são feitos injetando DNA purificado em embriões. Em peixes e sapos, as construções são geralmente injetadas diretamente na gema ou citoplasma de embriões de estágio de uma célula. Para transgênese mediada por transposon, uma transcrição codificando a enzima transposase é adicionada à mistura de injeção.

Em camundongos, a transgênese pode ser realizada pela manipulação de óvulos recém-fertilizados nos quais os pronucleis espermatozoides e óvulos ainda não se fundiram. A construção é injetada diretamente no pronucleus maior, onde pode se integrar ao genoma à medida que a célula se divide. Os óvulos devem então ser transplantados no útero de uma fêmea pseudopregnante para o desenvolvimento.

A eficiência da transgênese varia, por isso os animais devem ser rastreados para identificar a prole na qual a construção se integrou com sucesso ao genoma. Isso pode ser feito procurando uma etiqueta fluorescente que foi inserida para fácil identificação, ou através de análises moleculares como PCR de DNA genômico isolado de pequenos pedaços de tecido.

Uma segunda abordagem para a engenharia genética se concentra em segmentação genética específica para interromper a função genética. Existem várias abordagens para alcançar esse objetivo. Um método relativamente novo, conhecido como edição de genomas, aproveita enzimas específicas de sequência chamadas nucleases, que cortam a espinha dorsal do DNA e causam mutações nos genes à medida que o DNA é reparado.

Outro método de segmentação envolve o uso de recombinação homólogo para substituir um gene por DNA estranho ou uma cópia do gene ladeado por sequências de reconhecimento para enzimas conhecidas como recombinases. Quando as recombinases estiverem presentes, a sequência flanqueada será extirpada do genoma. Isso é conhecido como nocaute condicional, e o controle da excisão genética pode ser alcançado expressando a enzima em tecidos específicos ou em determinados momentos.

Vamos rever um procedimento geral para gerar ratos nocautes por recombinação homóloga. Aqui, uma construção deve ser preparada em que parte da sequência de DNA genômico é substituída por DNA estranho. Esse DNA muitas vezes codifica outro gene, como a resistência a antibióticos, que fornece uma maneira de selecionar células modificadas com sucesso em etapas posteriores.

Para iniciar o procedimento, as células-tronco embrionárias são coletadas da massa celular interna de um embrião de camundongos primitivo conhecido como blastocisto. A construção linearizada é então entregue nas células-tronco via eletroporação, na qual pulsos elétricos geram poros transitórios na membrana celular. As células são então autorizadas a incubar na presença de um antibiótico para eliminar células sem o transgene.

Após esta etapa de seleção, as células-tronco podem ser injetadas em outro embrião de rato no estágio blastocisto. Os embriões são então transferidos para o útero de uma fêmea para continuar o desenvolvimento. Os filhotes resultantes serão quimeras, que são compostas de células selvagens e eliminatórias. Algumas quimeras terão células de nocaute dentro de sua linha germinal, que transmitirá o gene interrompido quando forem criadas, o que estabelecerá uma nova linha de nocaute.

Você aprendeu o básico da engenharia genética de modelos de desenvolvimento, então agora vamos olhar para algumas aplicações práticas.

Estudos de desenvolvimento geralmente usam proteínas fluorescentes marcadas para identificar células e estudar seu desenvolvimento. Usando promotores específicos do tecido, organismos transgênicos podem ser projetados para expressar proteínas fluorescentes em células específicas, como a crista neural. Usando técnicas avançadas de imagem, as células fluorescentes podem ser imagens em tempo real, permitindo que os pesquisadores visualizem diretamente eventos complexos de desenvolvimento.

Outro importante uso da engenharia genética é estudar genes específicos e seu papel nos fenótipos da doença. Aqui, mutações direcionadas são introduzidas em um gene de rato específico usando nucleases, como TALENs. PcR mostra se o mouse tem zero, uma ou duas cópias do gene mutado. Os embriões que carregam duas cópias mutantes agora podem ser estudados em detalhes para determinar a função de desenvolvimento do gene.

Usando nocautes condicionais, os cientistas podem determinar a função de um gene dentro de um conjunto restrito de células. Aqui, um gene flanqueado loxP foi expresso em todo o embrião, mas Cre foi expressa apenas em células endoteliais, causando uma exclusão genética no coração e vasos sanguíneos. Este nocaute específico do tecido resultou em uma mudança mensurar na frequência cardíaca embrionária, e ilustra como testar o papel localizado de um gene sem alterar todo o organismo.

Você acabou de assistir a introdução da JoVE à tecnologia transgênica. Essas técnicas ajudam a entender o básico da engenharia genética, alguns dos métodos envolvidos e como ela é aplicada na ciência cotidiana. A engenharia genética pode ser amplamente aplicada em muitos organismos, e continuará a ser uma importante ferramenta para estudar e entender o papel da genética em doenças de desenvolvimento, bem como aquelas que aparecem durante a idade adulta. Obrigado por assistir!

Transcript

Genetic engineering is a valuable tool used to modify genomes of model organisms in a process known as transgenesis. In developmental biology, this approach is often used to express modified genes that can be visualized in living tissues. Alternatively, genetic engineering can be used to prevent or disrupt protein expression to study the developmental function of specific genes.

This video will summarize the principles behind this technology, review some genetic engineering procedures, and highlight ways that these techniques are used in the lab.

To begin, let’s explore some important concepts underlying transgenesis. This involves insertion of DNA into the genome of a model organism. There are a number of approaches depending on the study goal.

First, addition of an altered gene might reveal functional or morphological changes due to a mutation. Another method is to put in additional copies of the unaltered wild-type gene to study the effects of overexpression, which can often be just as damaging as a mutation. A different approach is to insert a fusion protein that contains a visualizable tag, such as green fluorescent protein, to track the location and timing of gene expression in live animals.

The segment of DNA that will be inserted into the genome must be carefully designed to produce the desired expression patterns and outcomes. The promoter, which is a sequence element that dictates when and where a gene is expressed, is a crucial component. Certain promoters are ubiquitously expressed throughout almost all tissues, while others are only active in specific tissues. Inducible promoters, which are activated by chemical administration or exposure to high temperatures, can also be used to control timing of gene expression.

To be stably expressed in tissues, a transgene must first integrate into the genome. To accomplish this, transgenes can include flanking DNA sequences that match areas of the organism’s genome. This allows the transgene to integrate with the host DNA through a process known as homologous recombination. Alternatively, in some species special elements called transposons can make transgenesis more efficient by including recognition sites for the enzyme transposase, which catalyzes random insertion of the transgene into the genome.

Now that you know some of the basics of transgene design, let’s review how to make a transgenic animal. To make the transgene construct, start by amplifying the gene of interest using PCR. This amplified region is then cloned into a vector, which is a piece of DNA that can carry the transgene into cells. Vectors typically contain elements that allow efficient transgene amplification using bacteria, such as E. coli. After this amplification step, the vector is purified from the bacterial culture.

Transgenic animals are made by injecting purified DNA into embryos. In fish and frogs, constructs are usually injected directly into the yolk or cytoplasm of one-cell stage embryos. For transposon-mediated transgenesis, a transcript encoding the transposase enzyme is added to the injection mix.

In mice, transgenesis can be accomplished by manipulation of newly fertilized eggs in which the sperm and egg pronuclei have not yet fused. The construct is injected directly into the larger pronucleus, where it may integrate into the genome as the cell divides. The eggs must then be transplanted into the uterus of a pseudopregnant female for development.

Transgenesis efficiency varies, so animals must be screened to identify progeny in which the construct has successfully integrated into the genome. This can be done by looking for a fluorescent tag that was inserted for easy identification, or through molecular analyses such as PCR of genomic DNA isolated from small tissue pieces.

A second approach to genetic engineering focuses on specific gene targeting to disrupt gene function. There are multiple approaches to achieve this goal. One relatively new method, known as genome editing, takes advantage of sequence-specific enzymes called nucleases, which cut the DNA backbone and cause mutations in genes as the DNA is repaired.

Another targeting method involves the use of homologous recombination to replace a gene with either foreign DNA or a copy of the gene flanked by recognition sequences for enzymes known as recombinases. When the recombinases are present, the flanked sequence will be excised from the genome. This is known as a conditional knockout, and control of gene excision can be achieved by expressing the enzyme in specific tissues or at certain time points.

Let’s review a general procedure for generating knockout mice by homologous recombination. Here, a construct must be prepared in which part of the genomic DNA sequence is replaced with foreign DNA. This DNA often encodes another gene, such as for antibiotic resistance, which provides a way to select successfully modified cells in later steps.

To begin the procedure, embryonic stem cells are collected from the inner cell mass of an early mouse embryo known as a blastocyst. The linearized construct is then delivered into the stem cells via electroporation, in which electrical pulses generate transient pores in the cell membrane. The cells are then allowed to incubate in the presence of an antibiotic to eliminate cells without the transgene.

After this selection step, the stem cells can be injected into another mouse embryo at the blastocyst stage. The embryos are then transferred to the uterus of a female mouse to continue development. The resulting pups will be chimeras, which are composed of both wild-type and knockout cells. Some chimeras will have knockout cells within their germline, which will transmit the disrupted gene when they are bred, which will then establish a new knockout line.

You have learned the basics of genetic engineering of developmental models, so now let’s look at some practical applications.

Developmental studies often use fluorescently tagged proteins to identify cells and study their development. Using tissue-specific promoters, transgenic organisms can be engineered to express fluorescent proteins in specific cells, like the neural crest. Using advanced imaging techniques, the fluorescent cells can be imaged in real time, allowing researchers to directly visualize complex developmental events.

Another important use of genetic engineering is to study specific genes and their role in disease phenotypes. Here, targeted mutations are introduced into a specific mouse gene using nucleases, such as TALENs. PCR shows whether the mouse has zero, one, or two copies of the gene mutated. The embryos carrying two mutant copies can now be studied in detail to determine the developmental function of the gene.

Using conditional knockouts, scientists can determine the function of a gene within a restricted set of cells. Here, a loxP-flanked gene was expressed throughout the entire embryo, but Cre was expressed in endothelial cells only, causing a gene deletion in the heart and blood vessels. This tissue-specific knockout resulted in a measureable change in embryonic heart rate, and illustrates how to test the localized role of a gene without changing the entire organism.

You’ve just watched JoVE’s introduction to transgenic technology. These techniques help you understand the basics of genetic engineering, some of the methods that are involved, and how it is applied in everyday science. Genetic engineering can be widely applied across many organisms, and will continue to be an important tool for studying and understanding the role of genetics in developmental diseases, as well as those that appear during adulthood. Thanks for watching!