فأر الضربة القاضية

الفأر المُعدَّل جينيًا ( الفأر المُعطَّل جينيًا ) هو فأر مُعدَّل وراثيًا ( Mus musculus ) حيث قام الباحثون بتعطيل جين موجود فيه عن طريق استبداله أو تعطيله بقطعة اصطناعية من الحمض النووي . تُعد هذه الفئران نماذج حيوانية مهمة لدراسة دور الجينات التي تم تحديد تسلسلها ولكن لم تُحدَّد وظائفها بعد. من خلال تعطيل جين معين في الفأر، ومراقبة أي اختلافات عن السلوك أو الوظائف الفسيولوجية الطبيعية، يستطيع الباحثون استنتاج وظيفته المحتملة.

تُعدّ الفئران حاليًا أقرب أنواع حيوانات المختبر صلةً بالبشر، ما يُسهّل تطبيق تقنية تعطيل الجينات عليها. وهي تُستخدم على نطاق واسع في تجارب تعطيل الجينات، لا سيما تلك التي تبحث في المسائل الجينية المتعلقة بفسيولوجيا الإنسان . أما تعطيل الجينات في الجرذان فهو أصعب بكثير، ولم يكن ممكنًا إلا منذ عام 2003. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

أُنتج أول فأر مُعدّل وراثيًا (فئران مُعدّلة جينيًا) على يد ماريو ر. كابيكي ، ومارتن إيفانز ، وأوليفر سميثيز عام 1989، وحصلوا بفضل هذا الإنجاز على جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام 2007. وقد سُجّلت براءات اختراع لبعض جوانب تقنية إنتاج هذه الفئران، وللفئران نفسها، في العديد من الدول من قِبل شركات خاصة.

يُتيح تعطيل نشاط جين ما الحصول على معلومات حول وظيفته الطبيعية. يتشارك البشر والفئران في العديد من الجينات. وبالتالي، فإن مراقبة خصائص الفئران المُعدّلة جينيًا تُزوّد ​​الباحثين بمعلومات يُمكن استخدامها لفهم أفضل لكيفية تسبب جين مماثل في الإصابة بالأمراض لدى البشر أو مساهمته فيها.

تشمل أمثلة الأبحاث التي استُخدمت فيها الفئران المعدلة وراثيًا دراسة ومحاكاة أنواع مختلفة من السرطان ، والسمنة ، وأمراض القلب ، والسكري ، والتهاب المفاصل ، وإدمان المخدرات ، والقلق ، والشيخوخة ، ومرض باركنسون . كما توفر هذه الفئران بيئة بيولوجية وعلمية مناسبة لتطوير واختبار الأدوية والعلاجات الأخرى.

تُستخدم ملايين الفئران المعدلة وراثيًا في التجارب كل عام. ^{[ 3 ]}

يوجد آلاف السلالات المختلفة من الفئران المعدلة وراثيًا (فئران نوكلوك). ^{[ 3 ]} تُسمى العديد من نماذج الفئران نسبةً إلى الجين الذي تم تعطيله. على سبيل المثال، سُميت فأرة نوكلوك نسبةً إلى جين p53 الذي يُشفّر بروتينًا يُثبّط نمو الأورام عادةً عن طريق إيقاف انقسام الخلايا و/أو تحفيز موت الخلايا المبرمج. يُصاب البشر الذين يولدون بطفرات تُعطّل جين p53 بمتلازمة لي-فراوميني ، وهي حالة تزيد بشكل كبير من خطر الإصابة بسرطانات العظام والثدي والدم في سن مبكرة. تُسمى نماذج أخرى من الفئران وفقًا لخصائصها الفيزيائية أو سلوكياتها.

توجد عدة اختلافات في إجراء إنتاج الفئران المعدلة وراثيًا؛ فيما يلي مثال نموذجي.

1. يُعزل الجين المراد تعطيله من مكتبة جينات الفئران . ثم يُصمم تسلسل حمض نووي جديد مشابه جدًا للجين الأصلي وتسلسله المجاور له، إلا أنه يُجرى عليه تغيير كافٍ لتعطيل الجين. عادةً، يُضاف إلى التسلسل الجديد جينٌ واسم ، وهو جين لا تمتلكه الفئران الطبيعية، ويُكسبها مقاومةً لعامل سام معين (مثل النيوميسين) أو يُحدث تغييرًا ملحوظًا (مثل اللون أو التألق). إضافةً إلى ذلك، يُضاف جين ثانٍ، مثل جين الهربس tk+، إلى التركيب الجيني لإتمام عملية الاختيار.
2. تُستخلص الخلايا الجذعية الجنينية من الكيسة الأريمية للفأر ( جنين صغير جدًا ) وتُزرع في المختبر . في هذا المثال، سنأخذ خلايا جذعية من فأر أبيض.
3. تُدخل التسلسلة الجديدة من الخطوة 1 إلى الخلايا الجذعية من الخطوة 2 عن طريق التثقيب الكهربائي . وبواسطة عملية إعادة التركيب المتماثل الطبيعية ، ستدمج بعض الخلايا الجذعية المُثقّبة كهربائيًا التسلسلة الجديدة مع الجين المُعطّل في كروموسوماتها بدلًا من الجين الأصلي. تكون احتمالات نجاح عملية إعادة التركيب منخفضة نسبيًا، لذا فإن غالبية الخلايا المُعدّلة ستحتوي على التسلسلة الجديدة في أحد الكروموسومين المعنيين فقط - وتُسمى هذه الخلايا متغايرة الزيجوت . تُزرع الخلايا التي تم تحويلها باستخدام ناقل يحتوي على جين مقاومة النيوميسين وجين الهربس tk+ في محلول يحتوي على النيوميسين والجانسيكلوفير لاختيار التحولات التي حدثت عبر إعادة التركيب المتماثل. أي إدخال للحمض النووي حدث عبر إدخال عشوائي سيؤدي إلى موت الخلية لأنها ستُظهر نتيجة إيجابية لكل من جين مقاومة النيوميسين وجين الهربس tk+، الذي يتفاعل ناتجه الجيني مع الجانسيكلوفير لإنتاج سم قاتل. علاوة على ذلك، فإن الخلايا التي لا تدمج أيًا من المواد الوراثية تكون نتائج اختبارها سلبية لكلا الجينين، وبالتالي تموت نتيجة التسمم بالنيومايسين.
4. يتم عزل الخلايا الجذعية الجنينية التي تم دمج الجين المعطل من الخلايا غير المعدلة باستخدام الجين الواسم من الخطوة 1. على سبيل المثال، يمكن قتل الخلايا غير المعدلة باستخدام عامل سام تقاومه الخلايا المعدلة.
5. تُزرع الخلايا الجذعية الجنينية المُعدّلة وراثيًا من الخطوة الرابعة في كيسة جنينية لفأر . في هذا المثال، نستخدم كيسات جنينية من فأر رمادي. تحتوي الكيسات الجنينية الآن على نوعين من الخلايا الجذعية: الخلايا الأصلية (من الفأر الرمادي)، والخلايا المُعدّلة وراثيًا (من الفأر الأبيض). تُزرع هذه الكيسات الجنينية بعد ذلك في رحم إناث الفئران، حيث تتطور. ستكون الفئران حديثة الولادة كائنات هجينة : بعض أجزاء أجسامها ناتجة عن الخلايا الجذعية الأصلية، وأجزاء أخرى عن الخلايا الجذعية المُعدّلة وراثيًا. سيظهر على فرائها بقع بيضاء ورمادية، حيث تُستمد البقع البيضاء من الخلايا الجذعية المُعدّلة وراثيًا، والبقع الرمادية من الكيسة الجنينية المُستقبِلة.
6. بعض فئران الكيميرا حديثة الولادة ستمتلك غددًا تناسلية مشتقة من خلايا جذعية مُعطلة جينيًا، وبالتالي ستنتج بويضات أو حيوانات منوية تحتوي على الجين المُعطل. عند تهجين هذه الفئران الكيميرا مع فئران أخرى من النوع البري، سيحمل بعض نسلها نسخة واحدة من الجين المُعطل في جميع خلاياه. هذه الفئران لا تحتفظ بأي حمض نووي من الفأر الرمادي، وليست كيميرات، إلا أنها لا تزال غير متجانسة الزيجوت.
7. عندما يتم تهجين هذه النسل غير المتجانس، فإن بعض نسلهم سيرث الجين المعطل من كلا الوالدين؛ فهم لا يحملون نسخة وظيفية من الجين الأصلي غير المعدل (أي أنهم متماثلون الزيجوت لهذا الأليل).

يوجد شرح مفصل لكيفية إنشاء الفئران المعدلة وراثيًا (KO) على موقع جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب لعام 2007. ^{[ 4 ]}

تناقش المعاهد الوطنية للصحة بعض القيود المهمة لهذه التقنية. ^{[ 5 ]}

رغم أن تقنية الفئران المعدلة وراثيًا (فئران الحذف الجيني) تُعد أداة بحثية قيّمة، إلا أنها تنطوي على بعض القيود الهامة. فنحو 15% من عمليات حذف الجينات تؤدي إلى موت الجنين، ما يعني أن الأجنة المعدلة وراثيًا لا تستطيع النمو لتصبح فئرانًا بالغة. غالبًا ما يُتغلب على هذه المشكلة باستخدام الطفرات المشروطة . ويُحدّ نقص الفئران البالغة من نطاق الدراسات لتقتصر على مرحلة نمو الجنين ، مما يُصعّب في كثير من الأحيان تحديد وظيفة الجين وعلاقته بصحة الإنسان . في بعض الحالات، قد يؤدي الجين وظيفة مختلفة في البالغين عنها في الأجنة النامية.

قد لا يُحدث تعطيل جين ما أي تغيير ملحوظ في الفئران، أو قد يُنتج خصائص مختلفة عن تلك الملاحظة في البشر الذين تم تعطيل الجين نفسه لديهم. على سبيل المثال، ترتبط الطفرات في جين p53 بأكثر من نصف حالات السرطان لدى البشر، وغالبًا ما تؤدي إلى ظهور أورام في مجموعة معينة من الأنسجة. مع ذلك، عند تعطيل جين p53 في الفئران، تُصاب هذه الحيوانات بأورام في مجموعة مختلفة من الأنسجة.

يوجد تباين في الإجراء برمته، ويعتمد ذلك بشكل كبير على السلالة التي اشتُقت منها الخلايا الجذعية. عمومًا، تُستخدم الخلايا المشتقة من السلالة 129. هذه السلالة تحديدًا غير مناسبة للعديد من التجارب (مثل التجارب السلوكية)، لذا من الشائع جدًا تهجين النسل مع سلالات أخرى. وقد ثبت أن بعض المواقع الجينية يصعب تعطيلها. قد تعود الأسباب إلى وجود تسلسلات متكررة، أو مثيلة واسعة النطاق للحمض النووي ، أو كروماتين غير متجانس . وقد أُطلق على وجود جينات 129 المجاورة على الجزء المُعطَّل من المادة الوراثية اسم "تأثير الجينات المجاورة". ^{[ 6 ]} وقد اقتُرحت طرق وإرشادات للتعامل مع هذه المشكلة. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

من القيود الأخرى أن الفئران المعدلة وراثيًا (غير المشروطة) تنمو في غياب الجين قيد الدراسة. في بعض الأحيان، قد يحجب فقدان النشاط أثناء النمو دور الجين في مرحلة البلوغ، خاصةً إذا كان الجين متورطًا في العديد من العمليات التي تشمل مراحل النمو. لذلك، يلزم اتباع مناهج الطفرات المشروطة/المستحثة التي تسمح للفأر أولًا بالنمو والنضج بشكل طبيعي قبل استئصال الجين المطلوب.

ومن القيود الخطيرة الأخرى غياب التكيفات التطورية في نموذج الحذف الجيني، والتي قد تحدث في الحيوانات البرية بعد حدوث طفرات طبيعية. فعلى سبيل المثال، يُعد التعبير المشترك لبروتين GLUT1 مع بروتين ستوماتين في خلايا الدم الحمراء آلية تعويضية في الثدييات غير القادرة على تصنيع فيتامين C. ^{[ 9 ]}

• الكيميرا (علم الوراثة) §  العمل مع الفئران
• كائن معدل وراثيًا
• علم الوراثة
• حمص
• الاتحاد الدولي لفئران نوك آوت
• الاتحاد الدولي لتصنيف النمط الظاهري للفئران
• طحلب نوك آوت
• الفأر المصاب بالسرطان
• فأر صوفي