Культура ізольованих клітин і тканин. Голі протопласти як об’єкти для перенесення генів.

Культура ізольованих тканин і клітин —це метод вирощування відокремлених від організму тканин і клітин на відповідних поживних середовищах за умов стерильності. Засновниками цього методу є американські вчені Р. Гаррісон (1907) і А. Каррель (1912). Методи вирощування рослинних тканин були розроблені значно пізніше Ф. Уайтом і Р. Готре.

У культурі ізольовані клітини і тканини зберігають характерні властивості того виду, з якого вони були взяті. Це зумовлюється стабільністю їх основних генетичних характеристик, адже соматичні клітини мають такий самий генотип, як і зигота, з якої вони виникли. Здебільшого клітини зберігають здатність до специфічних для певного виду синтезів. Наприклад, клітини нирок людини in vitro можуть синтезувати урокіназу, клітини ссавців — противірусний білок інтерферон, а клітини женьшеню — фармакологічно активні сполуки, які мають значний стимулюючий ефект. Крім того, в культурі тканин адекватно відбиваються навіть комплексні фізіологічні властивості виду, такі як стійкість до низьких температур. Так, калусні клітини лимону виявляються нестійкими до низьких температур, а клітини яблуні сибірської та ялини витримують проморожування до —50 °С.

Методи культивування клітин аналогічні методам культивування мікроорганізмів. Культура ізольованих тканин, набирає дедалі ширшого застосування і дає цінні для людини продукти. Так, в Україні працюють біотехнологічні виробництва з одержання женьшеню на основі культури тканин.

Культура клітин і тканин використовується також в наукових дослідженнях. Вона є зручною моделлю для вивчення процесів диференціації клітин як основи індивідуального розвитку та морфогенезу.

У культурі соматичних клітин було виявлено можливість їхнього злиття. Злиття диплоїдних соматичних клітин і їхніх ядер одержало назву соматичної гібридизації. Цікаво, що зливатися можуть клітини різних видів. Внаслідок цього утворюється гетерокаріон, тобто клітина, яка містить ядра двох видів, наприклад людина/комар; людина/миша. Після злиття ядер утворюється гібридна клітина.

Для одержання соматичних гібридів дві культури клітин після їх спеціальної обробки змішують у посудині з поживним середовищем і залишають на кілька годин (рис. 106). Спонтанне злиття клітин різного генотипу відбувається рідко, і для його стимуляції використовують інактивований вірус Сендая, нешкідливий для людини і тварин. Потім суспензію вихідних і гібридних клітин висівають на селективне середовище, на якому гібридні клітини розмножуються і дають початок клонам.

Незважаючи на зусилля, домогтися злиття рослинних клітин довго не вдавалося. Клітинна оболонка в них товста і міцна, і вірус Сендая не сприяє їхньому злиттю.

В останні десятиріччя було розроблено метод одержання ізольованих протопластів із клітин різних тканин рослин. Під впливом целюлолітичних і пектолітичних ферментів розчиняється клітинна оболонка. Живий вміст клітин не пошкоджується і одержують так звані ізольовані (голі) протопласти. Вихід їх дуже високий, можна одержати суспензію, в 1 мл якої міститься до 1 млн протопластів. При перенесенні на поживне середовище голі протопласти за дві доби регенерують нову клітинну оболонку. Вони можуть ділитися, дедиференціюватись і перетворюватися в калусну 47тканину, яка за своїми біохімічними ознаками схожа з меристематичною. Якщо для певного виду рослин умови індукції морфогенезу вже відомі, з калусної тканини можна одержати ембріоїди (зачатки), які після їх відокремлення перетворюються в цілі рослини.

Ізольовані протопласти використовують для введення ДНК, яка викликає генетичну трансформацію клітин. Так, за допомогою λ-фага був перенесений lас-оперон Е. соді в клітини помідорів. Внаслідок цього вони почали використовувати лактозу як джерело вуглецевого живлення.

Під час змішування суспензійних культур голих протопластів двох видів утворюються гібридні клітини. Універсальним індуктором злиття соматичних клітин та ізольованих протопластів є поліетиленгліколь. Бар'єру несуміс­ності при цьому не існує. Під час застосування поліетилен-гліколю зливаються клітини людини і миші, 'людини і хом'я­ка, людини і комара, пшениці і ячменю, помідорів і картоплі і навіть людини і тютюну.

Завдяки соматичній гібридизації можна здійснити рекомбінацію генетичного матеріалу віддалених в еволюційному відношенні організмів. Злиття відбувається з великою частотою і одна клітина з п'яти може виявитися рекомбінантною. Цей метод застосовують також для актиноміцетів, бацил, корінебактерій, нитчастих грибів, дріжджів та інших організмів.

Яке наукове і практичне значення методу соматичної гібридизації?

Метод соматичної гібридизації використовується в генетиці для картування генів, зокрема в такого складного генетичного обєкту, як людина. З цією метою одержують, наприклад, соматичні гібридні клітини людини і миші. Вони характеризуються двома важливими особливостями:

1. Випадковою елімінацією (втратою) хромосом одного з видів.

2. Одночасним проявом генів обох компонентів.

У процесі розмноження гібридних клітин втрачаються, звичайно, хромосоми людини, а хромосоми миші залишаються (2n миші = 40; 2n людини = 46). Переважна більшість клітин містить від 41 до 55 хромосом (40 мишачих + кілька людських).

Для картування генів спочатку з'ясовують, чи розміщені два або більше генів в одній хромосомі, а потім з'ясовують, в якій хромосомі та в якій її ділянці локалізуються окремі гени. Випробовуючи ряд клонів на наявність різних ферментів людини, порівнюють характер вираженості генів (тобто наявність ферментів) з присутністю або відсутністю певних хромосом. Два гени, які присутні або відсутні завжди разом, вважаються синтенними, тобто розміщеними в одній хромосомі. Одержання однохромосомних ліній (40 мишачих хромосом + 1 певна хромосома людини) значно полегшує роботу.

Для того щоб визначити, в якому місці хромосоми знаходиться ген, використовують хромосомні перебудови — транслокації (міжхромосомні обміни фрагментами) та делеції (втрати окремих ділянок хромосом, у даному разі кінцевих).

Розглянемо конкретний приклад визначення локалізації гена тимідинкінази (ТК), який знаходиться в 17-й хромосомі.

Клітини миші, які не мають ТК (позначені ТК^–), гібридизували з клітинами людини (ТК⁺). Клітини гібридної лінії, які містили транслокацію довгого плеча 17-ї хромосоми на хромосому миші, виживали в середовищі ГАТ (середовище, яке містить гіпоксантин, аміноптерин і тимідин), що свідчило про те, що ген ТК міститься в довгому плечі хромосоми б. Для індукції делецій додавали аденовірус 12, і клітини з різними розмірами транслокацій вирощували на неселективних середовищах в. Під час їх випробування на середовищі ГАТ з'ясувалось, що клітини, які втратили більшу частину плеча 17-ї хромосоми, гена ТК не мали (не утворювали фермента), а ті клітини, які мали більшу частину або все плече, мали цей ген. Порівняння трьох точок розривів дозволило локалізувати ген тимідинкінази.

Завдяки використанню методу соматичної гібридизації вдалося визначити локалізацію багатьох генів людини. Таким самим способом можна картувати гени в сільськогосподарських тварин і це, безперечно, сприятиме прогресу їх селекції.

Практичне значення методу соматичної гібридизації для генетики в тому, що з його використанням можна створювати нові гібриди рослин, які не вдається одержати статевою гібридизацією. Завдяки цьому методу вдається долати міжвидові й навіть міжродові бар'єри.

У 1972 р. американські дослідники вперше одержали рослину, яка утворилася з гібридного протопласту двох видів тютюну.

У 1978 р. Г. Мельхерс одержав рослину з продукту злиття протопластів помідорів і картоплі (помітопля). Р. Г. Бутенко (Інститут фізіології рослин, Москва) створила соматичний гібрид двох віддалених видів картоплі. Японські дослідники шляхом злиття протопластів рису і проса вперше в світі одержали соматичні гібриди однодольних.

У 1978 р. Ю. Ю. Глеба (Київ) розробив метод культивування окремих протопластів у мікрокраплях. Певна кількість протопластів розвивалися в цілі рослини. Він одержав соматичний гібрид арабідопсису і рапсу — Arabidobrassica (Arabidopsis thaliana + Brassica rapa).

Внаслідок злиття протопластів мікроризного гриба з роду Rhisopogon і клітин азотобактера був одержаний гібридний організм, який став фіксувати азот. Ця здатність нового організму збереглася в природних умовах на коренях сосни.

Дж. Пауер одержав соматичні гібриди двох видів петунії, які не схрещувалися звичайним статевим шляхом. Завдяки цьому від виду Petunia parfiflora в селекцію цієї декоративної рослини ввели нову ознаку — розгалужене сланке стебло.

Цікаво, що шляхом соматичної гібридизації утворюються гібриди між раковими і нормальними клітинами. Це застосовують для одержання гібридом — продуктів злиття лімфоцитів і пухлинних клітин кісткового мозку. Гібридоми продукують моноклональні антитіла. Цю особливість вони успадковують від певного клону лімфоцитів. Разом з цим гібридоми здатні до необмеженого поділу на поживному середовищі. Ця властивість потенційного безсмертя одержана ними від пухлинних клітин.

Моноклональні антитіла здатні розпізнавати різні типи макромолекул та їхні індивідуальні особливості. Вони мають значні переваги над звичайними сиворотками, оскільки ідеально реагують з певною органічною субстанцією і використовуються для діагностики і лікування захворювань.