Biologia 5: luku 9 Geenitekniikan avulla voidaan muokata eliöitä

Miksi eliöiden perimää muokataan?

Eliötä sanotaan muuntogeeniseksi, jos sen perimää on muokattu. Muuntogeeniset eliöt voidaan jakaa kahteen siirtogeenisiin ja poistogeenisiin eliöihin. Jos eliöön on lisätty jokin uusi geeni, sen sanotaan olevan siirtogeeninen. Jos taas jokin eliön omista geeneistä on tehty toimintakyvyttömäksi, eliötä sanotaan poistogeeniseksi.

Geenin siirto bakteeriin

Siirtogeenisiä bakteereja tehdään yleensä jonkin proteiinin tuottamista tai geenien monistamista varten. Vektoreina eli vieraan geenin siirtäjinä voivat toimia plasmidit tai virukset. Bakteereissa tuotetaan lääkkeitä, kuten ihmisen insuliinia ja interferonia. Siirtogeenisiä bakteereja voidaan käyttää myös monien teollisuuden tarvitsemien proteiinien valmistuskseen.

Tumallisen solun geeni ei toimi sellaisenaan bakteeriin siirrettynä. Bakteeriin siirrettävä geeni on aina muokattava käänteiskopioijaentsyymin avulla lähetti-RNA:sta vastin-DNA:ksi, jossa ei ole enää introneja. Tämä on tehtävä, koska bakteerit eivät pysty poistamaan tumallisten solujen geenien introneja.

                                                                                                                    

Geenin siirto tumalliseen soluun

Geeni voidaan siirtää tumalliseen soluun monella tavalla. Valittava menetelmä riippuu siitä, millaisten solujen välillä siirto tehdään. Siirtoisäntänä ja proteiinin tuottajana voidaan käyttää leivinhiivaa tai jotain muuta hiivaa tai hometta. Leivinhiiva on tumallinen sieni, mutta bakteerien tapaan nopeasti ja helposti kasvatettava ja se sopii hyvin tumallisten solujen geenien siirtoisännäksi. Hiivaan siirretyn ihmisen geenin ohjaamina tuotetaan mm. kasvuhormonia ja insuliinia.

Tumallisten eliöiden proteiineja tuotetaan usein hiivasoluissa

Toisin kuin yleensä tumallisilla eliöillä, hiivalla on soluissaan plasmideja, jotka muistuttavat bakteerien plasmideja. Siirrettäessä geenejä hiivaan voidaan käyttää vektorina myös keinotekoista kromosomia, joka liittyy osaksi hiivan genomia ja jakautuu muiden kromosomien tapaan hiivasolun mitoosissa.

Geenin siirto eläinsoluun                                  

Eläinten geenit eivät aina toimi hiivasolussa, vaan ne vaativat usein isännäkseen eläinsolun. Kun tehdään siirtogeenisiä eläimiä, käytetään siirrossa yleensä mikroinjektiota, viruksia, sähköpulssia tai liposomeja. Mikroinjektiota käytettäessä geeni siirretään mikroskoopin alla ohuen lasiputken kautta eläimen munasoluun. Sitten munasolun annetaan jakautua ja muodostaa kasvatusalusalla alkio, joka siirretään kehittymään valeraskaaksi tehdyn naaraan kohtuun.

Kun halutaan siirtää geeni soluviljelmässä oleviin, lukuisiin soluihin tai solumassoihin, kohdesolujen solukalvo voidaan tehdä läpäiseväksi lyhyellä sähköpulssilla, joka annetaan solujen kasvatusliuokseen. Sähköpulssi tekee solukalvoon hetkellisesti aukkoja, joiden kautta vierasta DNA:ta  pääsee isäntäsoluun.

Myös fosfolipidikalvon muodostamaa pientä kalvorakkulaa, liposomia, jonka sisällä on DNA:ta, käytetään vieraan perintöaineksen siirtämisessä nisäkässoluihin. Liposomi sulautuu eläinsolun solukalvoon ja vapauttaa samalla sisältönsä kohdesolun solulimaan. Isäntäeliölle tyypilliset viruksetkin ovat hyvin käyttökelpoisia vektoreita geenin siirrossa, koska ne pystyvät luonnostaan tunkeutumaan isännän soluihin ja liittämään oman perimänsä niiden perimän osaksi.

Geeni siirretään kasvisoluun yleensä agrobakteerin avulla

Agrobakteeria käytetään yleensä kasveihin tehtävän siirron vektorina. Sen plasmidiin liitetty vieras geeni siirtyy helposti kasvisolujen kromosomeihin. Kasveihin tehtävässä geenisiirrossa voidaan käyttää myös geenipyssyä. Sillä kasviin ammutaan DNA:lla päällystettyjä kultahiukkasia, jotka tunkeutuvat soluihin. Sattumanvaraisesti osa hiukkasten pinnalla olevasta DNA:sta voi liittyä isännän genomiin.

Jos kasvisolua ympäröivä soluseinä poistetaan, voidaan geeni siirtää myös mikroinjektiolla tai sähköpulssin tai liposomien avulla. Kasvisoluihinkin voidaan siirtää geeni, joka antaa vastustuskyvyn tietyille antibiooteille.

Siirtogeenien ilmentymistä uudessa isännässä voidaan seurata merkkiaineiden avulla

Yleensä vain osa tehdyistä geenisiirroista onnistuu. Siirrettävän geenin yhteyteen liitetään usein ns. merkkigeeni, jonka ilmentyminen on helposti havaittava osoitus myös varsinaisen geenisiirron onnistumisesta. Esim hiiriin on voitu siirtää varsinaisen siirtogeenin lisäksi merkkigeeni, jonka koodaamana syntyvä proteiini saa hiiret hohtamaan vihreinä UV-valossa. Geenin ilmentymisellä tarkoitetaan, että geenin emäsjärjestyksen mukaisesti syntyy lähetti-RNA:ta, jonka perusteella solu tuottaa solulimassaan vastaavaa proteiinia.

Geenien ilmentymisen tutkimisessa käytetään merkkiaineella leimattuja koettimia, jotka pariutuvat DNA-ketjussa olevan etsityn emäsjärjestyksen kanssa. Mikäli koetin on valmistettu kudoksessa syntyvän lähetti-RNA:n mukaan, värireaktio paljastaa ilmentyvän geenin paikan. Tämä perustuu siihen, että geenin luennan yhteydessä tumassa syntyy geenin emäsjärjestystä vastaava lähetti-RNA.

Siirtogeenisen hiiren tekeminen

Ensin DNA:ta ruiskutetaan ohuella lasiputkella hedelmöittyneen munasolun toiseen esitumaan. Sitten käsitellyt munasolut siirretään valeraskaana olevan naaraan kohtuun kehittymään. Valeraskaus tarkoittaa sitä, että naaras on paritellut steriloidun uroshiiren kanssa ja siinä ilmenevät raskauden fysiologiset muutokset. Syntymän jälkeen eri menetelmillä poimitaan yksilöt, joiden perimään siirtogeeni on liittynyt. Ne voidaan tunnistaa elektroforeesilla.

Geenejä, soluja ja yksilöitä kloonataan

Geenien kloonaamisella tarkoitetaan geenin eristämistä ja monistamista bakteeriviljelmän tai PCR:n avulla. Solujen sanotaan kloonautuvan, kun ne jakautuvat mitoottisesti ja tuottavat samalla itsestään perimältään samanlaisia tytärsoluja. Bakteerit kloonautuvat jakautumalla kahtia. Suvuttomasti lisääntyvillä kasveilla kloonautuminen on tavallista. Esim perunan juurimukuloista syntyneet yksilöt ovat luonnollisia klooneja. Lääketieteessä ja solubiologiassa kloonaamisella tarkoitetaan sitä, että jostakin eliöyksilöstä eristetään DNA:ta, jonka avulla tuotetaan uusi yksilö, joka on perimältään täysin samanlainen alkuperäisen kanssa.

Nisäkkään kloonaaminen tumansiirron avulla eli Dolly-tekniikka

Ensin munasolu luovuttavan eliön, esim koiran, munajohtimesta otetaan juuri munasarjasta irronnut munasolu. Sitten munasolun tuma poistetaan. Sitten otetaan jostain, esim koiran korvasta, kloonattava perimä. Esim kokonainen korvan ihon solu. Se siirretään tumattomaksi tehtyyn munasoluun. Sitten munasolu ja siihen siirretty solu yhdistetään sähköpulssin avulla. Yhdistelmäsolun annetaan tämän jälkeen jakautua ja kasvaa joitakin päiviä kasvatusalustalla. Seuraavaksi alkoita siirretään naaraan, esim koiran, kohtuun ja annetaan niiden kehittyä.