Clase Flavio - Biotech Animal 2012.pdf
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Manipulación genética de animales de laboratório Conceptos y Técnicas en Biotecnología 2012 Flávio S. J. de Souza El ratón (Mus musculus) - principal modelo mamífero utilizado en investigación genética: - pequeño tamaño - rápida reproducción - disponibilidad de muchas cepas bien caracterizadas - existencia de muchos mutantes - disponibilidad de técnicas de manipulación genética transgénicos knockouts Origen del ratón de laboratório Ancestral Mus musculus species 1 million years domesticus subspecies castaneus subspecies European ‘fancy’ mouse molossinus subspecies musculus subspecies East Asian ‘fancy’ mouse 2000 years 100 years Laboratory mouse hCG/LH meiosis I ovulation fertilisation meiosis II formation of pronuclei first division Blastocyst formation: early 8-cell stage compacted 8-cell stage morula (32-cell stage) inner cell mass blastocyst external cell compaction cavitation tigth junctions internal cell trophoblast cell blastocoel morula compaction blastocyst hatching Transgenesis zygotes (10-25 zygotes) microinjection microinjected zygotes Knock-out blastocysts geneticallymodified ES cells chimaeric blastocysts Blastocyst Fertilised oocyte trophoectoderm extraembryonic tissues inner cell mass extraembryonic & embryonic tissues morula inner cell mass germ cells trophoectoderm syncyotrophoblast endoderm primitive ectoderm primitive endoderm parietal yolk sac intestine, lungs, liver... ectoderm visceral yolk sac mesoderm chorion skin, nervous system... somites muscles, vertebrae, dermis extraembryonic mesoderm kidneys, heart, genital ridges... allantois, amnion Stem cell hierarchy: (puede originar todo el organismo) (ICM: puede originar las 3 capas germinales) (originan celulas de un linaje limitado) Embryonic stem cells: -Pluripotent cell lines derived from embryos: -ES cells: derived directly from inner cell mass (ICM) cells of blastocyst -Embryonic carcinoma (EC) cells : derived from teratocarcinomas after ICM cell transplant -Embryonic germ (EG) cells : derived from cultured primordial germ cells (PGC) Blastocyst chimaeric mouse 6.5-7.5 dpc 8.5 dpc primordial germ cells ES cells homologous recombination PGC culture EG cells Teratocarcinoma EC cells cannot originate germ cells Properties of pluripotent ES cells: -Derived from the inner cell mass of blastocyst. -Capable of unlimited divisions without differentiating (long-term self-renewal). -Maintain a stable, diploid, normal karyotype. -Can give rise to differentiated cell types that are derived from all three primary germ layers of the embryo (endoderm, mesoderm, and ectoderm), including the germ line. -Expresses the transcription factor Oct-4, which maintains ES cells in a proliferative, non-differentiating state. -Can be induced to continue proliferating or to differentiate. -Spend most of their time in the S phase of the cell cycle, during which they synthesise DNA. -Do not show X inactivation. Manipulaciones genéticas Ratones transgénicos -incorporación de un gen foráneo (transgen) en el ratón Ratones knockouts - deleción de un gen endógeno del ratón Manipulaciones genéticas Ratones knockouts Ratones transgénicos -incorporación de un gen foráneo (transgén) en el ratón -microinyección del transgén en el pronúcleo de cigotas de ratón -recombinación no homóloga -integración al azar en el genoma -múltiples cópias del transgén integradas Ratones transgénicos transgén: -3' UTR Gen de interés -promotor y -enhancer -intron pA -cDNA -gen con intrones/exones -reportero (GFP, lacZ) deteccíon de expresión: hibridación in situ : inmunohistoquímica (tag) : fluorescencia (GFP) : beta-gal staining (lacZ) Ratones transgénicos pipeta "holding" pronúcleo pipeta inyectora transgén cigota Microinyección pipeta inyectora pipeta holding Microinyección incubadora 37C/CO2 flujo laminar aparato de microinyección transgén hembras 4 w/o superovuladas microinyección pronuclear (100-200 cigotas) transferencia a hembra pseudopreñada (30 embriones/hembra) nacimiento de posibles transgénicos (20 días) genotipificación de los ratones destetados (20 días) PCR, Southern blot Ratones transgénicos -myf5-lacZ transgenic 13.5 dpc embryo Patapoutian et al. 1993 Ratones transgénicos -regiones regulatórias del gen de la proopiomelanocortina: de Souza et al., 2005 Ratones transgénicos EGFP transgene neuronal enhancers POMC ACTH immuno (endogenous POMC) POMC-EGFP fluorescence Ratones knockout -deleción de un gen endógeno en el ratón -manipulación en cultivo de células ES de ratón (129X1/SvJ ) -recombinación homóloga -integración sítio-específica en el genoma -necesita un marcador de selección Ratones knockout: pasos • • • • • • • • Identificación y clonado del gén de interés Disrupción del gen de interés en un vector adecuado Introducción del gen mutado en células ES en cultivo Introducción de las células ES modificadas en blastocistos Transferencia del blastocisto a una madre receptora Identificación de crias con la modificación Retrocruza (backcross) por 10 generaciones Analisar fenotipo Ratones knockout gen salvaje (129X1/SvJ ES cell) 1 2 4 3 5’ 3’ recombinación homóloga 1 5’ 4 2 Neomycin Resistance Cassette vector 3’ Recombinación homologa en ES cells en cultivo Ratones knockout Inyección de ES cells modificadas (cepa 129) en blastocistos salvajes (cepa C57) 129X1/SvJ Stem Cell 129X1/SvJ Stem Cell C57BL/6J Blastocyst Generación de ratones knockout con ES cells modificadas non-chimaeric strong chimaera weak chimaera -129X1/SvJ = marrón -C57BL/6 = negra chimaera = "atigrada" BMP7 knockout WT KO kidney Dickkopf-1 knockout Knockout de enhancers de proopiomelanocortina (POMC) POMC 1 2 Neomycin Resistance Cassette nPE1 nPE2 (delecionado) POMC neuronal enhancer knockout wild-type 3 Sistema Cre-LoxP - sistema para la creación de knockouts controlados por la expresión la recombinasa viral Cre - la recombinasa Cre reconoce sitios loxP en secuencias de DNA y excisa las secuencias flanqueadas por los sitios loxP (34 bp): ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT Sistema Cre-LoxP Neo Cassette exon X LoxP LoxP Cre Recombinase exon X LoxP = ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT LoxP 34 bp directional sequence exon Y exon Y Sistema Cre-LoxP exon X LoxP knockout condicional exon W LoxP Cre Recombinase exon X LoxP = ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT LoxP 34 bp directional sequence exon Y exon Y Sistema Cre-LoxP - lineas de ratones con cre bajo un promotor especifico permiten knock-outs espaciales y temporales Sistema Cre-LoxP - sistema Cre-loxP inducible: actividad de recombinasa Cre regulada por un ligando - Cre-ER: fusión de Cre con dominio de unión a estrógeno (mutado) - activación de Cre por inyección de tamoxifeno (análogo de estrógeno) inactivo ligand-binding domain activo agonista tamoxifeno: libera Cre-ER de HSP90 : Cre-ER entra al nucleo : recombinación HSP Sistema Cre-LoxP - rescate de expresión de proopiomelanocortina (Pomc) en ratones adultos Bumaschny et al. (2012) JCI Sistema Cre-LoxP - rescate de expresión de proopiomelanocortina (Pomc) en ratones adultos Bumaschny et al. (2012) JCI Proyectos genoma terminados -Mus musculus (ratón) -Homo sapiens (humano) -Rattus norvegicus (rata) -Bos taurus (vaca) -Canis familiaris (perro) -Oryctolagus cuniculus (conejo) -Equus caballus (caballo) -Gallus gallus (gallina) en progreso -Sus scrofa (chancho) -Ovis aries (oveja) - otros... www.ensembl.org Proyectos genoma www.ensembl.org Mouse resources Genome sequence -Ensembl (www.ensembl.org) -UCSC genome browser (genome.ucsc.edu) Strain phenotypes -Mouse phenome (www.jax.org/phenome) Mutant distributors -Jackson Induced Mutant Resource (www.jax.org/imr/index.html) -Mutant Mouse Regional Resource Centers (www.mmrrc.org) Knockout lines -Knockout Mouse Project (www.komp.org) Manipulación genética molecular de animales de granja Transgénicos: microinyección pronuclear (cerdos, conejos, ovejas, cabras, vacas) Knockouts: imposible... Clonación Polly Dolly primero mamífero clonado a partir de una célula adulta por transferencia nuclear Dolly the sheep primero mamífero clonado a partir de una célula fetal en cultivo Manipulación genética molecular de mamíferos Aplicaciones potenciales - producción de proteinas recombinantes (p. ej: hormonas de mamifero en leche, etc) - mejoramiento de la calidad nutricional de carne o leche (p. ej: leche con más proteinas, carne de cerdo con omega-3 etc) - generación de mejores modelos de enfermedades humanas (p. ej: cerdos con fibrosis quistica, monos con enfermedad de Huntington) Gene-targeted sheep Nature. 2000 Jun 29 - gene targeting en fibroblastos fetales de oveja COLT2 transgene: beta-lactoglobulin promoter (BLG) human a2-anti-trypsin (AAT) Nature. 2000 Jun 29 AAT humana en leche de oveja Nature. 2000 Jun 29 transgenes: beta-casein kappa-casein transfeccion de fibroblastos fetales bovinos fusion celular con ovocitos vacas transgenicas clonadas 8-20% mas beta-caseina 100% mas kappa-caseina en la leche de algunas vacas transgenicas - transfeccion de fibroblastos de fetos bovinos: lisostafina (hidrolasa de peptidoglicanos) con promotor de beta-lactoglobulina ovina - vacas transgénicas resistentes a la mastitis (Staphylococcus aureus) vacas PRNP -/- fibroblastos fetales de vacas: deleción de los alelos de PRNP (prion) por recombinación homóloga seguido de clonación -1,3-galactosyl de celulas de chancho causan rechazo en primates en xenotransplantes - manipulación de fibroblastos fetales (knockout de -1,3-Gal) seguida de clonación locus endogeno APRT: resistencia a G418 Bip: internal ribosomal entry site vector - modelo de fibrosis quística: knockout del gen CFTR en cerdos - deleción del exon 10 por un cassette de neo - manipulación de fibroblastos fetales seguido de clonación - cerdos tienen los mismos síntomas de humanos con fibrosis quística sintomas en humanos: - obstrucción del intestino - insuficiencia pancreatica - deformidades en el higado - inflamación crónica del pulmón modelos de ratón: - fenotipo suave cerdo modelo: - obstrucción del intestino - insuficiencia pancreatica - deformidades en el higado Transgénesis con vectores virales - transgenes de interés insertados en vectores derivados de lentivirus lentivirus: retrovirus (RNA) capaz de insertarse en el genoma : capaz de infectar tanto celulas en división (p. ej. cigota) como celulas que no se dividen (p. ej. ovocito) - alternativa a la inyección pronuclear vantajas: alta eficiencia de transgénesis : alta supervivencia de embriones manipulados desvantajas: baja capacidad para inserto (c. 10 kb) : bioseguridad con lentivirus Transgénesis con vectores virales LTR: long terminal repeats Transgénesis con vectores virales Transgénesis con vectores virales inyección pronuclear x vectores lentivirales Transgénesis con vectores virales vectores lentivirales: especies e eficiencia Transgénesis con vectores virales - primates transgénicos: hair placenta nails Transgénesis con vectores virales - Huntington's: enfermedad genética degenerativa dominante no tratable; causada por repeats de CAG (glutamina) en la huntingtina human huntingtin with Q CAG-repeats GFP - 130 oocitos tratados con retrovirus - 5 nacimientos de transgénicos (100%) Transgénesis con vectores virales - monos transgénicos con sintomas semejantes a Huntington's: distonia, corea, dificultad de deglutición Transgénesis con vectores virales anti-HTT polyQ immunostaining nuclear inclusions neuropils (array-like) Transgénesis con vectores virales Callithrix jacchus Transgénesis con vectores virales Callithrix jacchus Macaca sp. (Rhesus) -gestation time: 144 days -gestation time: 135-195 days -sexual maturity: 12-18 months -sexual maturity: 3 years -offspring per female lifespan: 40-80 -offspring per female lifespan: 10 Transgénesis con vectores virales lentiral injection into: oocytes followed by intracytoplasmic sperm injection : zygotes from natural mating EGFP transgenic Transgénesis con vectores virales transgenic blastocysts born transgenic pup (F1) transgenic skin Clonación humana Clonación humana -clonación reproductiva (prohibido en general) - clonación terapeutica (debatido) Clonación humana Clonación de primates no-humanos y derivación de stem cells Nature Nov 2007 - primera producción de ES cells de un primate a partir de celulas clonadas - donante nuclear: fibroblastos adultos de un mono Rhesus - 2 lineas de ES cells generadas/304 embriones reconstruidos (0.7% eficiencia) Clonación de primates no-humanos y derivación de stem cells retirada del huso del oocito de macaco OosightTM: visualización del huso meiotico sin colorantes ni luz UV Clonación de primates no-humanos y derivación de stem cells cloned macaque ES cells neural markers (after differentiation) teratoma morphology Fusión de células - heterocarions Yamanaka & Blau (2010) Nature factores de las celulas más abundantes en la fusión determinan el fenotipo del heterocarion Reprogramación de células adultas en células pluripotenciales Cell, August 25, 2006 Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4 pueden "reprogramar" fibroblastos adultos de ratón y transformarlos en lineas celulares pluripotentes o multipotentes (iPS) iPS: induced pluripotent cells Reprogramación de células adultas en células pluripotenciales Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4 pueden "reprogramar" fibroblastos adultos de ratón y transformarlos en lineas celulares pluripotentes o multipotentes (iPS) iPS: induced pluripotent cells Reprogramación de células adultas en células pluripotenciales Cell, November 30, 2007 Yamanaka & Blau (2010) Nature tres caminos para generar celulas pluripotenciales Reprogramación de células adultas en células pluripotenciales Oct3/4, Sox2, c-Myc y Klf4 pueden "reprogramar" fibroblastos adultos de ratón y transformarlos en lineas celulares pluripotentes o multipotentes (iPS) Nature Biotech August 2008 Tratamiento con células adultas reprogramadas terapia de un ratón con anemia falciforme ("humanizado" con el locus de globina humano mutado) con células iPS de la piel del corregidas en el locus de globina por recombinacíon homóloga Tratamiento con células adultas reprogramadas transfección con Hoxb4 (factor de transcripción) Oct4 Sox2 Klf4 c-Myc (flox) Tratamiento con células adultas reprogramadas eritrocitos control eritrocitos falciformes (flechas) eritrocitos "rescatados" PNAS USA Sept 7, 2010 - fibroblastos de la piel de 3 pacientes con Parkinson's - producción de iPS con Oct4, Sox2 y Klf4 (vectores lentivirales) - inducción de células neuronales in vitro (10% dopaminérgicas) - transplante al estriado lesionado de ratas PNAS USA Sept 7, 2010 human graft in rat brain 16 weeks after operation - neuronas humanas se instalan en el estriado dañado de ratas (16 w) PNAS USA Sept 7, 2010 - mejoría de asimetría locomotora inducida por amfetamina en ratas lesionadas con implantes
