Токсигены в исследовании дифференцировки соматических клеток в онтогенезе

Выше рассматривалась возможность применения гибридных токсинов для специфического воздействия на группы соматических клеток, обладающих определенными фенотипическими маркерами. Высокоспецифической элиминации определенных групп дифференцирующихся клеток можно достигнуть с использованием трансгеноза. В этом случае гены каталитических субъединиц токсинов (например A-субъединиц дифтерийного токсина (DT-A) или рицина) с помощью генно-инженерных приемов помещают под контроль регуляторных генетических элементов, обеспечивающих их тканеспецифическую экспрессию в клетках трансгенных экспериментальных животных.

После интеграции таких токсигенов в геном развивающегося эмбриона они передаются от клетки к клетке в рядах клеточных поколений без экспрессии до тех пор, пока клетки не начинают дифференцироваться с образованием регуляторных белков, трансактивирующих регуляторные последовательности токсигенов. С этого момента токсигены активированы, т.е. приобрели способность направлять биосинтез белков-токсинов, которые избирательно поражают дифференцирующиеся клетки. Иными словами, начав дифференцироваться в определенном направлении, соматические клетки совершают самоубийство. Поскольку каталитические субъединицы обладают токсическим эффектом лишь внутри соматических клеток и сами по себе не могут проникнуть в окружающие их клетки извне, их токсический эффект распространяется только на клетки, в которых происходит экспрессия токсигенов.

С помощью такой стратегии были получены впечатляющие результаты при изучении путей терминальной дифференцировки соматических клеток животных in vivo. В частности, были продемонстрированы различия во временнó й активации промоторов генов g2- и a2-кристаллинов в процессе формирования хрусталиков глаз у мышей, а также последствия активации промоторов гена эластазы-I, специфически функционирующего в ацинарных клетках поджелудочной железы.

Из-за большой токсичности вышеупомянутых белковых токсинов (чтобы убить клетку, достаточно одной молекулы) использование таких токсигенов может сопровождаться артефактами и приводить к ранней гибели трансгенных эмбрионов. Для преодоления этих трудностей были разработаны методы, при которых сам по себе трансген не оказывает токсического действия на клетки, но внутриклеточное присутствие белкового продукта его экспрессии делает клетки чувствительными к определенному экзогенному воздействию.

В одной из таких систем использовали ген тимидинкиназы вируса простого герпеса (HSV-tk), продукт которого, в отличие от тимидинкиназы клеток-хозяев, обладает способностью фосфорилировать некоторые аналоги нуклеозидов, например ацикловир и FIAU [1-(2-дезокси-2-фтор-b- D -арабинофуранозил)-5-иодоурацил]. После фосфорилирования с помощью HSV-tk до нуклеозидмонофосфатов образующиеся аналоги нуклеотидов могут далее фосфорилироваться тимидилаткиназой клеток-хозяев с образованием соответствующих дезоксирибонуклеозидтрифосфатов и конкурентно блокировать репликацию ДНК соматических клеток. Аналогичный подход был использован для элиминации в эмбриогенезе клеток, экспрессирующих кристаллины, кроветворных клеток (в частности тимоцитов) и в ряде других случаев.

Токсигены находят применение не только для изучения генетики развития, но и для создания животных, моделирующих наследственные и приобретенные заболевания человека.