Transgene - Transgene

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Um transgene é um gene que foi transferido naturalmente ou por uma série de técnicas de engenharia genética de um organismo para outro. A introdução de um transgene, em um processo conhecido como transgênese , tem o potencial de alterar o fenótipo de um organismo. Transgene descreve um segmento de DNA contendo uma sequência de gene que foi isolada de um organismo e é introduzida em um organismo diferente. Este segmento não nativo de DNA pode reter a capacidade de produzir RNA ou proteína no organismo transgênico ou alterar a função normal do código genético do organismo transgênico. Em geral, o DNA é incorporado à linha germinal do organismo . Por exemplo, em vertebrados superiores, isso pode ser realizado pela injeção de DNA estranho no núcleo de um óvulo fertilizado . Esta técnica é usada rotineiramente para introduzir genes de doenças humanas ou outros genes de interesse em cepas de camundongos de laboratório para estudar a função ou patologia envolvida com aquele gene específico.

A construção de um transgene requer a montagem de algumas partes principais. O transgene deve conter um promotor , que é uma sequência reguladora que determinará onde e quando o transgene está ativo, um exon , uma sequência de codificação de proteína (geralmente derivada do cDNA da proteína de interesse) e uma sequência de parada. Estes são tipicamente combinados em um plasmídeo bacteriano e as sequências de codificação são tipicamente escolhidas a partir de transgenes com funções previamente conhecidas.

Organismos transgênicos ou geneticamente modificados , sejam bactérias, vírus ou fungos, servem a muitos propósitos de pesquisa. Plantas transgênicas , insetos, peixes e mamíferos (incluindo humanos) foram criados. Plantas transgênicas como milho e soja substituíram cepas selvagens na agricultura em alguns países (por exemplo, nos Estados Unidos). A fuga do transgene foi documentada para plantações de OGM desde 2001 com persistência e invasividade. Os organismos transgenéticos colocam questões éticas e podem causar problemas de biossegurança .

História

A ideia de moldar um organismo para atender a uma necessidade específica não é uma ciência nova. No entanto, até o final dos anos 1900, os fazendeiros e cientistas podiam criar novas cepas de uma planta ou organismo apenas de espécies estreitamente relacionadas, porque o DNA tinha que ser compatível para que a prole fosse capaz de se reproduzir em outra geração.

Nas décadas de 1970 e 1980, os cientistas superaram esse obstáculo ao inventar procedimentos para combinar o DNA de duas espécies muito diferentes com a engenharia genética . Os organismos produzidos por esses procedimentos foram denominados transgênicos. Transgênese é o mesmo que terapia genética no sentido de que ambos transformam células para um propósito específico. No entanto, eles são completamente diferentes em seus propósitos, já que a terapia gênica visa curar um defeito nas células, e a transgênese visa produzir um organismo geneticamente modificado incorporando o transgene específico em cada célula e alterando o genoma . A transgênese mudará, portanto, as células germinativas, não apenas as células somáticas, a fim de garantir que os transgenes sejam passados ​​para a descendência quando os organismos se reproduzem. Os transgenes alteram o genoma bloqueando a função de um gene hospedeiro; eles podem substituir o gene hospedeiro por um que codifique uma proteína diferente ou introduzir um gene adicional.

O primeiro organismo transgênico foi criado em 1974, quando Annie Chang e Stanley Cohen expressaram genes de Staphylococcus aureus em Escherichia coli . Em 1978, as células de levedura foram os primeiros organismos eucarióticos a sofrer transferência de genes. As células de camundongo foram transformadas pela primeira vez em 1979, seguidas por embriões de camundongo em 1980. A maioria das primeiras transmutações foi realizada por microinjeção de DNA diretamente nas células. Cientistas conseguiram desenvolver outros métodos para realizar as transformações, como incorporar transgenes em retrovírus e, em seguida, infectar células, usando eletroinfusão que aproveita uma corrente elétrica para passar DNA estranho pela parede celular, biolística que é o procedimento de disparar balas de DNA. nas células, e também entregando DNA ao óvulo que acaba de ser fertilizado.

Os primeiros animais transgênicos destinavam-se apenas à pesquisa genética para estudar a função específica de um gene e, em 2003, milhares de genes já haviam sido estudados.

Use em plantas

Uma variedade de plantas transgênicas foi projetada para a agricultura a fim de produzir safras geneticamente modificadas , como milho, soja, óleo de colza, algodão, arroz e muito mais. Em 2012, essas safras OGM foram plantadas em 170 milhões de hectares em todo o mundo.

Arroz dourado

Um exemplo de espécie de planta transgênica é o arroz dourado . Em 1997, cinco milhões de crianças desenvolveram xeroftalmia , uma condição médica causada pela deficiência de vitamina A , somente no Sudeste Asiático. Dessas crianças, um quarto de milhão ficou cego. Para combater isso, os cientistas usaram a biolística para inserir o gene da fitoeno-sintase de narciso em cultivares de arroz indígenas da Ásia . A inserção de narciso aumentou a produção de β-caroteno . O produto era uma espécie transgênica de arroz rica em vitamina A, chamada de arroz dourado . Pouco se sabe sobre o impacto do arroz dourado na xeroftalmia porque as campanhas anti-OGM impediram a liberação comercial total do arroz dourado em sistemas agrícolas necessitados.

Fuga do transgene

A fuga de genes de plantas geneticamente modificados por meio da hibridização com parentes selvagens foi discutida e examinada pela primeira vez no México e na Europa em meados da década de 1990. Há consenso de que a fuga dos transgenes é inevitável, até mesmo "alguma prova de que está acontecendo". Até 2008, havia poucos casos documentados.

Milho

O milho amostrado em 2000 em Sierra Juarez, Oaxaca , México, continha um promotor 35S transgênico, enquanto uma grande amostra obtida por um método diferente da mesma região em 2003 e 2004 não. Uma amostra de outra região de 2002 também não, mas amostras direcionadas tomadas em 2004 sim, sugerindo persistência ou reintrodução do transgene. Um estudo de 2009 encontrou proteínas recombinantes em 3,1% e 1,8% das amostras, mais comumente no sudeste do México. A importação de sementes e grãos dos Estados Unidos poderia explicar a frequência e distribuição dos transgenes no centro-oeste do México, mas não no sudeste. Além disso, 5,0% dos lotes de sementes de milho em estoques de milho mexicano expressaram proteínas recombinantes, apesar da moratória sobre as safras GM.

Algodão

Em 2011, o algodão transgênico foi encontrado no México entre o algodão silvestre, após 15 anos de cultivo do algodão transgênico.

Colza (canola)

A canola transgênica Brassicus napus , hibridizada com uma espécie nativa do Japão, Brassica rapa , foi encontrada no Japão em 2011, após sua identificação em 2006 em Québec , Canadá. Eles foram persistentes ao longo de um período de estudo de 6 anos, sem pressão de seleção de herbicida e apesar da hibridização com a forma selvagem. Este foi o primeiro relato da introgressão - a incorporação estável de genes de um pool de genes em outro - de um transgene de resistência a herbicida de Brassica napus no pool de genes de forma selvagem.

Creeping bentgrass

O capim-bentgrass transgênico , projetado para ser tolerante ao glifosato como "uma das primeiras safras transgênicas perenes e altamente polinizadas pelo vento", foi plantado em 2003 como parte de um grande teste de campo (cerca de 160 ha) no centro de Oregon, perto de Madras , Oregon . Em 2004, descobriu-se que seu pólen atingiu populações de capim-bentão em crescimento selvagem a até 14 quilômetros de distância. A polinização cruzada Agrostis gigantea foi encontrada a uma distância de 21 quilômetros. O produtor, a Scotts Company, não conseguiu remover todas as plantas geneticamente modificadas e, em 2007, o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos multou a Scotts em US $ 500.000 por não conformidade com os regulamentos.

Avaliação de risco

O monitoramento de longo prazo e o controle de um determinado transgene se mostraram inviáveis. A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos publicou um guia para avaliação de risco em 2010.

Uso em ratos

Camundongos geneticamente modificados são o modelo animal mais comum para pesquisas transgênicas. Os camundongos transgênicos estão sendo usados ​​para estudar uma variedade de doenças, incluindo câncer, obesidade, doenças cardíacas, artrite, ansiedade e doença de Parkinson. Os dois tipos mais comuns de camundongos geneticamente modificados são os nocautes e os oncomice . Camundongos knockout são um tipo de modelo de camundongo que usa a inserção transgênica para interromper a expressão de um gene existente. A fim de criar camundongos knockout, um transgene com a sequência desejada é inserido em um blastocisto de camundongo isolado usando eletroporação . Então, a recombinação homóloga ocorre naturalmente dentro de algumas células, substituindo o gene de interesse pelo transgene projetado. Por meio desse processo, os pesquisadores conseguiram demonstrar que um transgene pode ser integrado ao genoma de um animal, cumprir uma função específica dentro da célula e ser transmitido às gerações futuras.

Oncomice são outra espécie de camundongo geneticamente modificada, criada pela inserção de transgenes que aumentam a vulnerabilidade do animal ao câncer. Os pesquisadores do câncer utilizam o oncomice para estudar os perfis de diferentes tipos de câncer, a fim de aplicar esse conhecimento a estudos em humanos.

Uso em Drosophila

Vários estudos foram conduzidos a respeito da transgênese em Drosophila melanogaster , a mosca da fruta. Este organismo tem sido um modelo genético útil por mais de 100 anos, devido ao seu padrão de desenvolvimento bem conhecido. A transferência de transgenes para o genoma de Drosophila foi realizada usando várias técnicas, incluindo elemento P , Cre-loxP e inserção de ΦC31 . O método mais praticado usado até agora para inserir transgenes no genoma de Drosophila utiliza elementos P. Os elementos P transponíveis, também conhecidos como transposons , são segmentos do DNA bacteriano que são translocados para o genoma, sem a presença de uma sequência complementar no genoma do hospedeiro. Os elementos P são administrados em pares de dois, que flanqueiam a região de inserção do DNA de interesse. Além disso, os elementos P geralmente consistem em dois componentes do plasmídeo, um conhecido como transposase do elemento P e o outro, a estrutura do transposon P. A porção do plasmídeo da transposase conduz a transposição da estrutura do transposon P, contendo o transgene de interesse e frequentemente um marcador, entre os dois locais terminais do transposon. O sucesso dessa inserção resulta na adição não reversível do transgene de interesse no genoma. Embora esse método tenha se mostrado eficaz, os locais de inserção dos elementos P são frequentemente incontroláveis, resultando em uma inserção desfavorável e aleatória do transgene no genoma da Drosophila .

Para melhorar a localização e a precisão do processo transgênico, uma enzima conhecida como Cre foi introduzida. Cre provou ser um elemento chave em um processo conhecido como troca de cassetes mediada por recombinação (RMCE) . Embora tenha mostrado ter uma menor eficiência de transformação transgênica do que as transposases de elemento P, Cre diminui muito a abundância de trabalho intensivo de balanceamento de inserções P aleatórias. Cre auxilia na transgênese direcionada do segmento do gene de DNA de interesse, uma vez que suporta o mapeamento dos locais de inserção do transgene, conhecidos como locais loxP. Esses locais, ao contrário dos elementos P, podem ser inseridos especificamente para flanquear um segmento cromossômico de interesse, auxiliando na transgênese direcionada. A transposase Cre é importante na clivagem catalítica dos pares de bases presentes nos locais loxP cuidadosamente posicionados, permitindo inserções mais específicas do plasmídeo doador transgênico de interesse.

Para superar as limitações e os baixos rendimentos que os métodos de transformação mediados por transposon e Cre-loxP produzem, o bacteriófago ΦC31 foi recentemente utilizado. Estudos recentes envolvem a microinjeção do bacteriófago ΦC31 integrase, que mostra uma inserção melhorada do transgene de grandes fragmentos de DNA que não podem ser transpostos apenas pelos elementos P. Este método envolve a recombinação entre um local de fixação (attP) no fago e um local de fixação no genoma do hospedeiro bacteriano (attB). Em comparação com os métodos usuais de inserção de transgene de elemento P, ΦC31 integra todo o vetor de transgene, incluindo sequências bacterianas e genes de resistência a antibióticos. Infelizmente, descobriu-se que a presença dessas inserções adicionais afeta o nível e a reprodutibilidade da expressão do transgene.

Uso na pecuária e aquicultura

Uma aplicação agrícola é criar animais seletivamente para características particulares: gado transgênico com um fenótipo muscular aumentado foi produzido pela superexpressão de um RNA em gancho curto com homologia ao mRNA da miostatina usando interferência de RNA. Os transgenes estão sendo usados ​​para produzir leite com altos níveis de proteínas ou seda do leite de cabra. Outra aplicação agrícola é a criação seletiva de animais resistentes a doenças ou animais para produção biofarmacêutica.

Potencial futuro

A aplicação de transgenes é uma área de rápido crescimento da biologia molecular . A partir de 2005, previa-se que nas próximas duas décadas, 300.000 linhagens de camundongos transgênicos seriam geradas. Os pesquisadores identificaram muitas aplicações para os transgenes, principalmente na área médica. Os cientistas estão se concentrando no uso de transgenes para estudar a função do genoma humano a fim de compreender melhor as doenças, adaptando órgãos de animais para transplante em humanos e a produção de produtos farmacêuticos , como insulina , hormônio do crescimento e fatores anticoagulantes do sangue do leite de vacas transgênicas.

Em 2004, havia cinco mil doenças genéticas conhecidas , e o potencial para tratar essas doenças usando animais transgênicos é, talvez, uma das aplicações mais promissoras dos transgenes. Existe um potencial para usar a terapia genética humana para substituir um gene mutado por uma cópia não mutada de um transgene, a fim de tratar o distúrbio genético. Isso pode ser feito através do uso de Cre-Lox ou knockout . Além disso, doenças genéticas estão sendo estudadas por meio do uso de camundongos, porcos, coelhos e ratos transgênicos. Coelhos transgênicos foram criados para estudar arritmias cardíacas hereditárias, pois o coração do coelho se assemelha muito melhor ao coração humano do que o do camundongo. Mais recentemente, os cientistas também começaram a usar cabras transgênicas para estudar doenças genéticas relacionadas à fertilidade .

Os transgenes podem ser usados ​​para xenotransplante de órgãos de suínos. Por meio do estudo da rejeição de xeno-órgãos, verificou-se que uma rejeição aguda do órgão transplantado ocorre no contato do órgão com o sangue do receptor devido ao reconhecimento de anticorpos estranhos nas células endoteliais do órgão transplantado. Cientistas identificaram em porcos o antígeno que causa essa reação e, portanto, são capazes de transplantar o órgão sem rejeição imediata pela remoção do antígeno. Porém, o antígeno começa a se expressar posteriormente e ocorre a rejeição. Portanto, mais pesquisas estão sendo realizadas. Microrganismos transgênicos capazes de produzir proteínas ou enzimas catalíticas que aumentam a velocidade das reações industriais.

Controvérsia ética

O uso de transgene em humanos está repleto de problemas. A transformação de genes em células humanas ainda não foi aperfeiçoada. O exemplo mais famoso disso envolveu certos pacientes que desenvolveram leucemia de células T após serem tratados para imunodeficiência combinada grave ligada ao X (X-SCID). Isso foi atribuído à proximidade do gene inserido ao promotor LMO2 , que controla a transcrição do proto-oncogene LMO2.

Veja também

Referências

Leitura adicional