Biotehnoloogia õpimapp (0)

TALLINNA ÜHISGÜMNAASIUM
BIOTEHNOLOOGIA
Õpimapp bioloogias
Koostaja : Helena Tomson
12. A klass
Juhendajad: Leili Järv
Tallinn 2013

SISUKORD

SISUKORD 2
MÕISTETELEHT 3
SISSEJUHATUS 7
1BIOTEHNOLOOGIA PAIKNEMINE TEADUSMAASTIKUL 8
2GEENITEHNOLOOGIA 9
2.1Geeniteraapia 9
2.2Transgeensed organismid 11
2.2.1Transgeensed mikroorganismid 11
2.2.2Transgeensed loomad 11
2.2.3Transgeensed taimed 12
3KLOONIMINE 14
3.1Taimede kloonimine – meristeempaljundus 14
3.2Imetajate kloonimine 15
3.3Inimste kloonimine 17
3.4Hübridoomtehnoloogia ja monokloonsed antikehad 18
4TÜVIRAKUD, RAKUTERAAPIA 20
KOKKUVÕTE 22
KASUTATUD KIRJANDUS 23

MÕISTETELEHT

Antigeen
mis tahes kehavõõras aine, mis põhjustab vastureaktsioonina antikehade tekke.
Antikeha
erilise koostise ja struktuuriga valk, mis tekib vastureaktsioonina mingi antigeeni.
Biotehnoloogia
rakendusbioloogia valdkond , kus kasutatakse organisme, et toota inimesele vajalikke aineid.
Blastotsüst
imetajate (ka inimese) lootelise arengu varajane staadium, mis vastab alamate selgroogsete põislootele.
Embrüokloonimine
varase embrüo lõhestamise teel saadud kloonembrüote kasutamine identsete genotüübiga järglaste saamiseks.
Embrüoplast
blastotsüsti ühel poolusel moodustunud tihe rakukobar, millest areneb loode.
Eukarüootne rakk
(päristuumne rakk ) on üks kahest peamisest elusorganismidel esinevast rakutüübist. Eukarüootsetel rakkudel on eristunud  rakutuum  ja membraansed rakuorganellid .
Fenotüüp
indiviidi füsioloogiliste, morfoloogiliste keemiliste, käitumislike, arenguliste ja ehituslike tunnuste vaadeldav kogum.
Geeninokaut
geneetiliselt rikutud geeniseisund.
Geenitehnoloogia
(tehnogeneetika) on molekulaargeneetika rakendusharu, DNA- fragmentide siirdamine rakkude ja organismide geneetilise informatsiooni muutmiseks või nende kasutamine pärilike haiguste diagnoosimisel ja indiviidide geneetilisel tuvastamisel.
Geeniteraapia
ehk geeniravi on geenitehnoloogiline meetod geneetilise haiguste raviks või leevendamiseks, seisneb normaalse inimgeeni siirdamises defektiga indiviidi somaatilistesse rakkudesse.
Geenivaigistus
geeni avaldumise takistamine epigeneetilise mehhanismidega transkriptsiooni või translatsiooni tasemel geeni struktuuri rikkumata.
Geenivektor
rekombinantse DNA või RNA konstrukt , milles siiratav geen on ühendatud elementidega, mis tagavad selle sisemise rakku, integratsiooni ja avaldumise rakus.
Geneetiliselt muundatud organism
(GMO) tavakeeles väljend transgeense organismi tähistamiseks.
Genoom
ühes liigiomases kromosoomikomplektis sisalduv geneetiline materjal.
Genotüüp
indiviidi (või raku) kogu geneetiline informatsioon, mis koostoimes keskkonnatingimustega määrab tema fenotüübi.
Hübridoom
antikeha sünteesiva lümfotsüüdi ja kasvajaraku hübriid, mis luuakse monokloonse antikeha saamiseks.
Hübridoomtehnoloogia
rakutehnoloogiliste võtete kogum hübridoomide loomiseks.
Hübriidrakk
eri kudedest, eri isenditelt või ka eri liikidelt pärit rakkude liitmisel saadud jagunemisvõimeline rakk.
In vitro
"klaasis", see on bioloogilise protsessi teostamine  katseklaasis kunstlikult loodud ja kindlalt määratletud tingimustes.
Kloon
ühe organismi või raku vegetatiivne järglaskond.
Kloonimine
geneetiliselt identsete järglaste saamine.
Lõigustusrakk
üks loomade sügoodi lõigustumisel tekkiv rakk (kuni embrüo blastulajärguni).
Lümfotsüüt
vere valgeliblede hulka kuuluv rakutüüp ja organismi immuunsüsteemi tähtsaim element.
Meristeem
taimede algkude , mille rakud säilitavad püsiva jagunemisvõime ja milles võivad tekkida kõigi teiste kudede rakud ning mis sobivates tingimustes võivad areneda terviktaimeks.
Meristeempaljundus
taimede vegetatiivne paljundamine meristeemkoest in vitro.
Monokloonneantikeha
kitsa antigeenispetsiifikaga antikeha, mida produtseerib kindel hübridoomkloon.
Pöördtranskriptaas
RNAst sõltuv DNA polümeraas, ensüüm, mis sünteesib üheahelalise RNA järgi kaheahelalise DNA-koopia.
Rakuteraapia
ehk rakkravi on kahjustunud või hävinud kudede ja elundite funktsiooni parandamine või taastamine vastavalt diferentseerunud rakumasside siirdamisega, on seotud tüvirakkude eraldamise ja kultiveerimisega.
Rekombinantne DNA
DNA molekul , mis koosneb tehnogeneetiliste meetoditega ühendatud eri liikidel pärit geenidest ning muudest järjestuslõikudest.
Reproduktiivne kloonimine
inimsese kloonimisvõimaluste käsitlemisel kasuatatav mõiste. mis tähendab tuumkloonimist uute isendite saamise eesmärgil, sellist kloonimist vastandatakse terapeutilisele kloonimisele.
Retroviirus
RNA- viirus , mis sisaldab põõrdtranskriptaasi ja kopeerib selle abil oma genoomi DNA-sse ning võib sel viisil integreeruda peremeesraku genoomi.
Sügoot
viljastatatud munarakk .
Terapeudiline kloonimine
inimese kloonembrüote tekitamine tüvirakkude hankimise eesmärgil geeniteraapia teostamiseks.
Totipotentsus
rakkude arenguline täisvõimelisus, sügoodi, esimeste blastomeeride ja meristeemirakkude võime diferentseeruda mis tahes tüüpi organismiomasteks rakkudeks ja areneda tervikorganismiks.
Transgeenneorganism
organism , mille genoomis sisaldub, avaldub ja pärandub järglastele teiselt liigilt pärit geenid , mis on loodud geenitehnoloogilise protseduuriga.
Transgenees
geenitehnoloogiline protseduur transgeensete organismide saamiseks.
Tuumakloonimine
selgroogsetel teostatav kloonimine somaatilise raku tuuma siirdamisega munarakku, millest on eelnevalt tuum eemaldatud.
Tüvirakk
hulkrakse looma jagunemisvõimeline rakk, mille tütarrakud võivad diferentseeruda eri tüüpi koerakkudeks.
Vegetatiivne järglaskond
järglaskond, mis paljuneb mittesugulisel teel ja on pärilikkuselt identsed.

SISSEJUHATUS

Biotehnoloogia on muutunud üha tähtsamaks tänapäevases ühiskonnas tänu selle kiirele arengule ja suurtele võimalustele. See on andnud ühiskonnale väga palju, alustades erinevatest paljunemisviisidest lõpetades erinevate haiguste ravimis võimalustega. Tänapäeval on bioloogia erinevad teadusharud nagu biotehnoloogia ja geenitehnoloogia üheks kiiremini arenevateks aladeks. Antud õpimapis käsitletaksegi nende harude rakendus - ja kasutamisvõimalusi.

BIOTEHNOLOOGIA PAIKNEMINE TEADUSMAASTIKUL

Rakendusbioloogia seisneb bioloogia haruteaduste poolt avastatu praktilise kasutamise võimaluste ja lahenduste uurimises ning teostamises. Oma teoreetiliste avastuste rakendusvõimaluste on bioloogia alusteaduseks meditsiinile, veterinaariale ja põllumajandusele, kuid olulisel määral kasutavad bioloogilisi printsiipe ja tehnoloogiaid ka toiduainete- ja farmaatsiatööstus ning isegi tehnilis- matemaatilised teadused - bioonika ja küberneetika.
Paljud bioloogilised rakendused on vanemad kui teaduslik bioloogia ja seega ka rakendusbioloogia tänapäevases tähenduses. Need tekkisid ja arenesid alates iidsest maaviljelusest ja loomakasvatusest ning vanaaja meditsiinipraktikast. Neis ilmnendu nähtuste ja probleemide seletusvajadusest tekkiski bioloogia, mis kujunes iseseisvaks teaduseks ajavahemikul 18. sajandi keskpaigast 19. sajandi alguseni.
Bioloogia fundamentaalsete avastuste ja teooriate toel said uut hoogu põllumajanduse ja meditsiini klassikalised rakendused, kuid tekkisid ka põhimõtteliselt uued rakendusvõimalused moodsa biotehnoloogia baasil. Need tehnoloogiad võimaldavad sekkuda organismide paljunemise ja arengu protsessidesse ning pärilike omaduste kujunemisse embrüote, rakkude ja geenide tasemel.
Uued biotehnoloogiad hakkasid jõudsalt arenema alates 1970. aastate algusest. Need saab jagada kahte põhitüüpi: raku- ja embrüotehnoloogiad ning geenitehnoloogiad.

GEENITEHNOLOOGIA

Geenitehnoloogia (ehk insenergeneetika, tehnogeneetika) seisneb DNA valitud lõikude eraldamises, töötlemises in vitro ja siirdamises sama või muu liigi isendi geneetilisse struktuuri – kromosoomi, plasmiidi või viirusesse. Osa geenitehnoloogilisi meetodeid piirdub DNA uurimisega.
Geenitehnoloogia tekke lähtekohaks oli rekombinantse DNA metoodika loomine (Joonis 1). Rekombinantseks DNA-ks nimetatakse DNA molekuli, milles on ühendatud eri liikidelt pärist DNA- fragmendid . Selle metoodika eelduseks oli omakorda restriktsiooniensüümide ehk restriktaaside avastamine bakterites 1970. aastal. Need on omapärased ensüümid, mis lõikavad DNA molekuli kaksikahelat kindlate järjestuste kohalt. Enamik restriktaase lõikab DNA mõlemat ahelat vastava järjestuse (4-8 nukleotiidipaari) eri otstest . Kui sama restriktaasiga töödelda erinevat päritolu DNA-d, siis on tekkinud fragmentidel komplementaarsed üheahelalised (nn. kleepuvad) otsad . Kui need fragmendid kokku viia, siis otste paardumisel nad ühinevad. Ensüüm ligaasi toimel ühinevad ahelate otsad ka kovalentsete sidemetega ja rekombinantsed molekulid ongi moodustunud.
Geenitehnoloogiad võimaldavad otseselt muuta indiviidide pärilikke omadusi. Tähtsaimad rakendused selles valdkonnas on transgeensete organismide (nn. GMO) loomine ja geeniteraapia ( geenravi ) inimesel. Peale nende põhinevad geenitehnoloogilistel meetoditel nii sünnieelne kui ka sünnijärgne pärilike haiguste molekulaargeneetiline diagnostika ja inimeste (sh. kurjategijate) tuvastamine „DNA-sõrmejälgede“ metoodika abil.

Geeniteraapia

Inimesel on tuntud üle 3000 päriliku puude või haiguse, mis on dingitud üksiku geeni defektist. Enamasti on need geneetilise avaldmise poolest retsessiivsed. Mõnedel juhudel on nad ravitavad või leevendavad organismis puuduvate valkude manustamisega vereringesse, kuid enamasti mitte. Pealegi on igati loomulik püüe vabaneda välisest sõltuvustest. Geeniteraapia ehk geenravi seisneb enamasti normaalselt talitleva geeni siirdamises raske geneetilise puudega inimese mingi koe (organi) rakudesse. Osal juhul seisneb ravi ka mutantse geeni avaldumise vaigistamises. Aastat 10-15 tagasi peeti geeniteraapiat pärilike haiguste ravis väga lootustandvaks suunaks.
Geeniteraapia sarnaneb transgeneesiga, kuid erineb sellest kahes aspektis. Esiteks siiratakse sama liigi (inimese) geene; teiseks, neid geene siiratakse üksnes somaatilistesse rakkudesse ega pärandata järglastele. Päritava haiguse puhul tuleb geenravi protseduuri korrata iga puudega järglase juures. Geeniteraapia võimalused sõltuvad geneetilise puude olemusest. Kui see on seotud näiteks vererakkudega, siis on asi lihtsam. Luuüdis on alati mingi hulk tüvirakke eri tüüpi vererakkude tootmiseks. Sellisel juhul oleks geenravi protseduur järgmine: puudega lapse luuüdist eraldatud rakud viiakse rakukutuuri, seisse sisestatakse normaalgeen sobiva geenivektori, enamasti retroviiruse abil, kinnistatud siirdega rakud kloonitakse ja paljundatakse ning siirdatakse tagasi haigesse indiviidi. Muude puuete korral on asi keerulisem. Tuleb leida või konstrueerida sobiva koespetsiifilise promootoriga ülekandevektor ja sisestada selle struktuuri siiratav geen.
Kuigi on ette tulnud rohkesti pettumusi, peetakse geeniteraapiat tulevikumeditsiini jaoks siiski oluliseks. Dominantselt avaldavate haiguste (nt. Huntingtoni haigus) geeniteraapia uueks võimaluseks on geenivaigistuse meetod. Meetod seisneb kindlate mRNA-molekulide blokeerimises või kiires lammutamises nn. Mikro -RNA-de kaudu, mille tulemusena geen ei avaldu (valku ei saa sünteesida). Sellist protsessi nimetataksegi geenivaigistuseks. Seda mehhanismi esineb taimedel, seentel ja loomadel ning see kaitseb neid näiteks viiruste vastu. On selgunud , et samal viisil saab teatud geene vaigistada ehk välja lülitada ka spetsiaalsete, kunstlikult sünteesitud mikro-RNA molekulide rakku sisestamise teel.

Transgeensed organismid

Transgeenne organism on selline organism, mille genoomi koostis on muudetud teiste loomade või organismide geeni(de) kunstlikul sisestamisel.

Transgeensed mikroorganismid

Transgeensete organismide loomine põhineb rekombinantse DNA tehnoloogial . Siirdatav geen tuleb ühendada niisugusesse DNA- või RNA- kompleksi, mis saab siseneda rakku ja integreeruda selle genoomi. Selliseid DNA- konstrukte nimetatakse geenivektoriteks ehk –siirdajateks. 1970. Aastate teisel poolel hakati inimese ja mõne teise liigi genoomipanku bakterites ja pärmseentes kloonitud DNA- fragmentide kujul. Rakendusbioloogilises suunas hakati otsima võimalusi kasutada transgeenseid bakterieid meditsiiniliselt oluliste inimese valkude tootmiseks. Raskusi valmistas asjaolu, et eukarüootse organismi geene ei suuda bakterid algsel kujul transleerida geenstruktuuri erinevuse tõttu- geenised on mittekodeerivad lõigud ( intronid ), mida bakterid ei „oska“ välja lõigata. Siin tuleb appi ensüüm pöördtranskriptaas. Inimese rakkudest eemaldatakse huvipakkuva geeni mRNA (millest intronid on juba kõrvaldatud) ja pöördtranskribeeritakse selle järgi vastav komplementaarne DNA. See ühendatakse plasmiidiga ning saadud geenivektor lülitub bakteriraku koosseisu (peamiseks kasutatavaks bakteriks on inimsese soolekepike ). Sel viisil loodud transgeenne bakter toodab peale enda valkude ka soovitavat inimesevalku.

Transgeensed loomad

1980. aastate teisel poolel alustati mitmes biotehnoloogiakeskuses toid saamaks transgeenseid imetajaid ( lambaid , kitsi , veiseid), kes toodaksid piimas või veres inimese ravivalke või toidulisandeid. Paljude katsete tulemusena on niisuguseid loomi ka saadud. Inimvalkude tootmisel ja kasutamisel sellisel viisil on mõningaid eeliseid nende mikrobioloogilise tootmise ees. Transgeensete imetajate saamine on küllaltki keerukas ja vaevaline protseduur. Eriteks keeruline on mikropipeti abil geenivektori sisestamine viljastunud munarakku seda kahjustamata. Viimasel ajal on küll hiirte ja teistegi loomade puhul kasutatud lihtsamat meetodit- geeni siirdamist embrüonaalsetesse tüvirakkudesse in vitro, kus õnnestunud geenisiirdega rakke saab valida ja seejärel varasesse embrüosse viia. Teiseks pole veel õnnestunud luua geenivektoreid, mis integreeruksid genoomi DNA-sse soovitaval kohal. Nii võivad nad kahjustada olemasolevaid geene. Kolmandaks siirdatav geen peab olema varustatud koespetsiifilise promootoriga, mis tagaks geeni avaldumise õiges koes ja sobival ajal. Neljandaks, lisanduvad kaod, mis tulenevad embrüosiirdamisega seotud riskidest. Kogu protseduur on suuresti õnnemäng, kus soovitav tulemus saadakse suure korduste arvuga. Suurimad probleemid on seotud geenikonstruktide lülitumisega retsipendi genoomi. Neid võib genoomi siseneda mitu koopiat suvalistes lookustes. Sealjuures võivad nad põhjustada eluohtlikke mutatsioone peremeesorganismi enda geenides. Nii saadakse õnnestunud geenisiirdega loom tavaliselt 100-200 katsetuse tulemusena. Seetõttu maksab talitleva inimgeeniga elujõuline transgeenne hiir 200-300 tuhat krooni. Eelöeldu põhjal on mõistetav, et transgenees inimesel on nii teaduslikust kui ka eetilisest küljest vastunäidustatud, vähemalt geenitehnoloogia tänapäevase taseme juures.

Transgeensed taimed

Transgeenseid taimi luuakse peamiselt põllumajanduslikel eesmärkidel. Kultuurtaimede insenergeneetilisel muundamisel on olnud neli peamist taotlust :

• Parandada saaduste tarbekvaliteeti (säilivust, ainelist koosseisu, välimust);
  
• Suurendada vastupidavust haigustele ja kahjurputukatele;
  
• Tõsta taluvust umbrohutõrje kemikaalide (herbitsiidide) suhtes;
  
• Tõsta karmide keskkonnatingimuste taluvust (külma-, kuuma-, põuataluvust vms.).
  

Transgeensete taimede loomine on üldiselt lihtsam kui transgeensete loomade loomine. See on ühitatud meristeempaljundusega. Geenivektori ülekandes kasutatakse siin tavaliselt agrobakterit. Õnnestunud geenisiirdega taimerakud valitakse välja in vitro ja neist kasvatatakse taimed.

KLOONIMINE

Kloonimine tähendab geneetiliselt identse järglaskonna saamist paljundatavast üksikobjektist, olgu selleks objektiks DNA molekul, rakk või organism. Saadud järglaskond moodustab klooni.

Taimede kloonimine – meristeempaljundus

Meristeempaljundus on üks taimnede vegetatiivse paljundamise ehk kloonimise meetodeist. Inimene on paljusid taimi iidsetest aegadest peale paljundanud peamiselt vegetatiivselt ehk klooninud. Näiteks paljundamine mugulate, sibulate, pistikute, poogendite või muude vegetatiivsete taimeosade abil on sisuliselt kloonimine.
Taimede uudse, tehnoloogiliselt keerukama kloonimisviisina on loodud meristeempaljunduds – meristeemrakkude kasutamine ühelt taimelt suure arvu vegetatiivsete järglaste saamiseks. Taimedel on võrsete tippudes (kasvukuhikutes), pungades ja mitmel pool mujal sh. Ka lehtedes, algkude ehk meristeem. Ka vigastuste paranemisel tekkiv haavkude ehk kallus sisaldab algkudet. Meristeemi rakud pole diferentseerunud s.t. pole eristunud mingit kindlat koefunktsiooni täitma. Nad on säilitanud jagunemisvõime ja neist võivad tekkida kõigi püsikudede rakud. Sobivates tingimustes, teatud kasvufaktorite (e. taimehormoonide) toimel, võivad meristeemrakud anda alguse kogu taime arengule, s.t. na on totipotentsed („kõikevõimelised“). Just sellel taime algkoe omadusel põhineb paljunemine taimede võime kasvada pistokstest ja isegi väiksest koetükikest terviklikuks taimeks.
Meristeempaljunduseks eraldatakse varre kasvukuhikust (või muust meristeemi sisakdavast organist) väike koelõik, mis kantakse steriilselt suletavasse anumasse toeitesegule ehk söötmele. Agar-agariga tahkestatud sööde sisaldab mineraalsooli, suhkrut, vitamiine ja kasvufaktoreid. Kui kultuur on kasvama läinud ja võrsuma hakanud, eraldatakse mikrovõrseid ja kantakse uuele söötmele. Ühest meristeemlõigust võib saada sadu või koguni tuhandeid võrseid. Mikrovõrsete juurdumiseks muudetakse söötme koostist, lisades sinna juurte teket soodustavaid kasvufaktoreid. Juurdunud ja vajalikul määral kasvanud võrsed istutatakse kasvuhoonesse sobiva koostisega pinasesse . Kõigi taimeliikide meristeempaljundus ei õnnestu ühtmoodi hõlpsalt, sest nõutavad arengu- ja kasvutngimused on eri taimeliikidel mõnevõrra erinevad.
Meristeempaljundust hakati kasvatama raskesti paljundatavate taimede (nt. Orhideed, viljapuud ) istutusmaterjali kiireks tootmiseks.
Meristeemrakud, esmajoones tipumeristeemis, on tavaliselt viirusvabad. Viirused kahjustavad taimi. Viirusvabad taimed on jõulisema kasvuga, õitsevad lopsakamalt ja annavad rikkalikumat saaki. Just viirusvabade taimekultuuride saamiseks on meristeemmeetod kõige sobivam , sest tavalisel vegetatiivsel paljunemisel kantakse haigustekitajad edasi.
Meristeempaljundust kasutatakse ka looduskaitses ühe meetodina hävimisohus taimeliikide kaitseks. Näiteks saab paljundatud taimi ümberistutada uude kasvukohta või ka vanasse, et taastada kaduvat populatsiooni.

Imetajate kloonimine

Organismikloon on vegetatiivsel paljunemisel või paljundamisel tekkinud ühe vanema järglaskond, mille isendid on geneetiliselt identsed nii oma vahel kui ka vanematega. Viimasel ajal on meedias hakatud klooniks nimetama ka üht kloonimise teel saadud isendit, keda tuleks õieti nimetada kloonisendiks.
Loomariigis piirdub vegetatiivne paljunemine mõne selgrootute rühmaga. Selgroogsete hulgas vegetatiivset paljunemist ei esine. Kuid on siiski üks erandjuht. Mitmetel selgroogsetel loomadel, eriti imetajatel (sh. inimestel), tekib vahetevahel ühemunamitmikuid, kõige sagedamini kaksikuid. See on varase embrüo iseenesliku lõhestumise tagajärg.
Imetajate kloonimine embrüolõhestuse meetodil ehk embrüonaalkloonimine on loomuliku protsessi tehnoloogiline teisend. Varase embrüo lõigustusrakud ehk blastomeerid (olenevalt liigist 2-16 raku staadiumis ) on kõik võimelised arenema normaalseks tervikorganismiks – nad on totipotentsed. Koduloomade puhul tuli sellisel meetodil kloonimine kasutusse embrüosiirdamise tehnoloogia arendamise käigus juba 1970. aastatel. Sel teel on võimalik saada ühest väärtuslikuna testitud (sh. näiteks ühest välismaalt ostetud) embrüost mitu isendit. Sellisel viisil tekkinud või tekitatud klooni isendid on geneetiliselt identsed omavahel, kuid sama genotüübiga vanemisendit pole olemas (selleks oli sügoot).
Teine kloonimismeetod seisneb somaatilise ehk diferentseerunud keharaku tuuma siirdamises munarakku, mille oma tuum on kõrvaldatud. Nimetame seda lühidalt tuumkloonimiseks.
1997. a veebruaris avaldas Roslini biotehnoloogiainstituudi teadlaste kollektiiv Šotimaalt eesotsas Ian Wilmutiga sensatsioonilise teadusuudise: nad on klooninud täiskasvanud isendi keharaku tuuma baasil lamba, kellele pandi nimeks Dolly (Dolly the Lamb sündis juulis 1996). Nad olid elektrilise impulsiga sundinud 6-aastase ute udararaku ühinema munarakuga, millest oli eelnevalt eemaldatud tuum. See impulss käivitas ka tekkinud ,,vegetatiivse’’ sügoodi embrüonaalse arengu. Embrüo siirdati teist tõugu utele, kes asendusemana sünnitas Dolly. Tulemus näitas selgelt, et diferentseeritud keharaku tuumas on organismi arenguks vajalik geneetiline informatsioon olemas ja realiseeritav. Siiratav rakutuum oli aga vaja rakukultuuri tingimustes viia täielikku soikeseisundisse, mis alati täpselt ei õnnestu. Tegelikult olid nad tuumkloonimise meetoodi kasutamisest teadnud juba varem. Eelmisel aastal olid nad ajakirjas Nature avaldanud artikli kahe lambatalle sünnist kultiveeritud embrüorakkude tuumade siirdamise tulemusena. Šoti rakendusbioloogide eesmärgiks oli leida edukas kloonimismeetod, mis võimaldaks luua õnnestunud geenisiirdamisega saadud transgeensete loomade kloone. Ja tõepoolest, juba samal, 1997.a. kloonisid nad transgeense lamba, kelle piimas sisaldus üks inimese verehüübimisfaktor.
Järgnenud aastatel klooniti katseloomi ( hiiri , küülikuid, kasse ) ja põllumajanudusloomi (lambaid, kitsi, sigu , veiseid, hobuseid, muulasid). Edukaid tulemusi on saadud eri kudede rakutuumi kasutades. Eesmärgid on olnud erinevad: arengubioloogiliste teaduslike probleemide uurimine , väärtusliku genotüübiga põllumajandusloomade paljundamine, ka väjasuremis ohus imetajate populatsioonide taastamine.
Kuid mitte kõik tuumkloonimise katsed pole õnnestunud. Näiteks pole seni suudetud kloonida ahve. Pole saadud ka täiskasvanud kloonkonna, kuigi just konnade peal esialgne tuumkloonimise metoodika loodigi.
Oluline on lisada, et kuigi kloonisendid on genotüübilt identsed, ei pruugi nad seda olla fenotüübilt. Osa tunnuseid võivad modifitseerida mitmesugused keskkonnatingimused . Mõnede geneetiliste tunnuste detailid on määratud juhuslikest teguritest. Näiteks loomade kirjusus on geneetiliselt tingitud ja nende kloonindiviidid ongi kirjud , kuid kirjususe muster (laikude suurus, kuju ja täpne paiknemine) ei lange kunagi täpselt kokku. Nii on ka ühemunakaksikute sõrmejäljed erinevad.

Inimste kloonimine

Teade täiskasvanud imetaja kloonimisest tekitas sensatsiooni eelkõige kujuteldava võimaluse tõttu kloonida heas või halvas mõttes kuulsaid inimesi, elavaid või varem elanuid. Tihti unustatakse seejuures, et kloonida saab indiviide, kellest on olemas elusaid rakke. Ei mõisteta ka, et kloonindiviidid on inimese geneetiline, mitte aga isiksuse koopia. Rõhutame veel kord, et praegu tegeldakse kloonimisega embrüo tasemini eesmärgiga saada tüvirakke. Kogu see metoodika on seni katsetamisjärgus, kuid võib tuleviku meditsiinile oluliseks osutuda.
Inimese puhul on hakatud sõltuvalt eesmärgist eristama kahesugust kloonimist. Üks on reproduktiivne ja teine terapeutiline kloonimine.
Reproduktiivne kloonimine tähendab indiviidide vegetatiivset paljunemist. Sellele on rohkesti eetilisi vastuargumente, millest enamik on religioosselt emotsionaalsed või teadmatusest tingitud ning järelikult pareeritavad. Tõsisem eetiline vastunäidustus põhineb teaduslikel argumentidel. Nagu loomade kloonimise andmetest eespool näeme, hukkub praeguse metoodika kasutamisel suurem osa kloonindiviide enne või pärast sündi ja on võimalik, et eluvõimelised indiviidid vananevad enneaegselt. Kõigi nende asjaolude tõttu keelustati enamikus arenenud riikides inimese reproduktiivne kloonimine kiiresti pärast selle tehnoloogia avalikustamist. Ka Eestis on vastav keeld kehtestatud embrüokaitse seaduses.
Terapeutilise gloonimise tekkis pärast seda, kui avatsati, et embrüonaalseid tüvirakke saab kasutada rakuteraapias. Sel juhul tekitatakse kloonembrüo, mida kultiveeritakse 5-6 päeva (blastotsüsti staadiumini) ja seejärel lõhutakse- eraldatakse tüvirakud. Neid kasutatakse duumatoonorile geneetiliselt ja immunoloogiliselt identsete kudede ja organite kasvatamiseks. Ka see protseduur on laialdast eetilist vastuseisu põhjustanud, sest toimub embrüote tekitamine kavatsesega nad hävitada. Esimene riik kus inimese seda tüüpi terapeutiline kloonimine legaliseeriti (2001. a), oli Suurbritannia . Teisena otsustas seda lubada Holland ja järgnemas on Hispaania . Kui inimese munarakud on defitsiitsed, siis katsetavad teadlased embrüo tüvirakkude saamiseks nn. Hübriidkloonimist, nt. inimese rakutuuma liitmist lehma munarakuga. Suurbritannias sellealane uurimine hiljuti seadustati. Terapeutilise kloonimise teise tüübina on pakutud võimalust ühendada see geeniteraapiaga. Kuid selle rakendamine on vägagi kaheldav, sest nii tekkisid transgeensed indiviidid.

Hübridoomtehnoloogia ja monokloonsed antikehad

1960. aastate keske leiti meetod imetajate rakkude liitmiseks üheks rakuks, mille ühendtuumas sisalduvad mõlema lähteraku kõik kromosoomid , Saadud hübriidrakud oon jagunemisvõimelised. See on somaatilise rakkude hübriidimise meetod.
Tõelise rakendusbioloogilise tähenduse ja laia kasutuse leidsid somaatilised hübriidrakud pärast seda, kui leiutati hübrodoomitehnoloogia monokloonsete antikehade tootmiseks.
Antikehad toodavad antigeeniga aktiveeritud B-lümfotsüütidest tekkivaid plasmarakud , kuid need ei ole võimelised jagunema ega pikemat aega väljaspool organismi elama. Siin saab appi tuua kasvajarakud, millel on piiramatu paljunemise võime. Mingi antigeeniga immuniseeritud hiire põrnast eraldatakse lümfotsüüdid viiakse kokku hiire vereloomekasvaja müeloomi rakkude lahuses, mis stimuleerib rakkude ühinemist. Nii tekib nende rakkude hübriide, mida nimetatakse hübridoomideks. Mõne minuti järel viiakse rakkude lahjendatud segu plastikplaadi väikestesse kannudesse kasvusöötmesse. See on erilise koostisega selektiivsööde, milles elavad ja paljunevad ainult teatud omadustega rakud, antud juhul hübridoomrakud. Tekkinud hübidoomikloonidest leitakse oodatavat antikeha piisaval määral tootvad kloonid immunoloogilise testi abil. Neid kloone paljundatakse ja kasvukeskkonnast eraldatakse antikehi. Hübridoomi omadustest on olulised kaks: aktiveeritud lümfotüüdist pärineb võime toota antikeha kasutatud antigeeni vastu ja müeloomist tuleneb kasvajarakule omane piiramatu jagunemise võime. Iga hübridoomikloon produtseerib üht tüüpi antikehi. Need on nn. monokloonsed atikehad, mis erinevad tavalises antiseerumis sisalduvatest antikehade segust (polükloonsetest antikehadest) väga kitsaste spetsiifiliste omaduste poolest. Antiseerum on vereseerum, mis sisaldab organismi toodetud antikehade segu kas ühe või mitme antigeeni vastu. Saadud hübridoomikloon on säilitatav kui kaua tahes (vajaduse korral vahepeal külmutatuna vedelas lämmastikus -196°C juures) ja ta võib seda antikeha toota piiramatus koguses.

TÜVIRAKUD, RAKUTERAAPIA

Selgroogsete tüvirakud on diferentseerumata või vähediferentseerunud jagunemisvõimelised rakud, mis võivad diferentseeruda teisteks rakutüüpideks, kuid säilitavad ka endasuguseid. Tüvirakud tagavad organismi arengu, kudede eneseuuendamise regeneratsiooni (s.o. kahjustuste paranemise ). Loomade ja inimeste tüvirakud on mõnes mõttes võrreldavad taimede meristeemirakkudega.
1980.-1990. Aastatel algas inimese tüvirakkude põhjalikum uurimine eesmärgiga leida võimalusi nende kasutamiseks haiguste ja traumade ravis. Ravimeetodeid, mille puhul organismi hävinud rakke või organite kahjustunud funktioone taastatakse tüvirakkude siirdamisega, nimetatakse rakuteraapiaks.
Tüvirakke on mitmesuguseid. Neid eristatakse arenguvõime ja päritolu järgi. Kõige suurema arengupotensiaaliga tüvirakud on sügoodi esimestel (2-4) jagunemistel tekkivad lõigustusrakud (blastomeerid). Need on totipotentsed- nad võibad diferentseeruda mis tahes rakutüübiks ja panna aluse kogu organismi arengule.
Veidi väiksema arengupotensiaaliga on embrüonaalsed tüvirakud, mis saadakse blastotsüsti sisemisest rakumassist (embrüoblastist). Need rakud võivad vastavate indutseerivate ainete toimel diferentseeruda samuti kõigiks rakutüüpideks, kuid mitte totipotentseteks rakkudeks, ja nad ei saa areneda tervikorganismiks. Esimene inimese embrüonaalse tüviraku liin viidi rakukultuuri 1998.a. Kõigi inimese embrüotest pärit tüvirakkude hankimine ja uurimine on kitsenatud eetiliste ja õiguslike piirangutega.
Nabaväädivere tüvirakke saab stimuleerida diferentseeruma paljudeks rakutüüpideks. Need tüvirakud saadakse sünnituse ajal võetud nabaväädi veeni verest ja säilitatakse külmutatuna vedelas lämmastikus. Mõnes riigis on loodud nabaväädivere pangad , et tüvirakke saaks vajaduse korral kunagi hiljem kasutada samal iniviidil, kellelt need pärit on.
Täiskasvanud tüvirakud on osalt tuntud juba aastakümneid, kuid üldine esinemus eri kudedes sai tuntuks üsna hiljuti. Tüviraku mõiste tuli kasutusele just vereloome tüvirakkude avastamise järel 1960. aastatel. Need rakud on meie luuüdis kogu elu ja neist tekivad kogu aeg erütrotsüüdid ja mitut tüüpi leukotsüüdid. Tüvirakke esineb aga kõigis organites. Nad säilitavad oma jagunemisvõime ja võivad diferentseeruda elundis leiduvate kudede rakutüüpideks ning spetsiaalsete kasvufaktorite toimel isegi muude organite rakkudeks. Näitkes inimese rasvkoest on eraldatud tüvirakke, millel on võime diferentseeruda luu-, kõhre-, rasva- ja lihasrakkudeks.
Veel üsna hiljuti valitses üldine seisukoht, et täiskasvanu aju- ja lihasrakud ei jagune, s.t. hävinud rakud ei saendu. Nüüdseks on aga selgunud, et nii ajus kui ka lihastes on tüvirakke, mis võivad anda uusi küpseid rakke. Neutraalsed tüvirakud võivad diferentseeruda nii neuroniteks kui ka mitmesugusteks gliiarakkudeks. Need tüvirakud on aga täiskasvanu ajus enamasti soikeseisundis ja tavaliselt ei jagune. Kuid rakukultuuris saab neid stimuleerida jagunema ning ühes või teises suunas diferentseeruma.
Nabaväädivere tüvirakke on kasutatud mõne luuhaiguse ja leukeemia e. verevähi ravis. Neuraalsete tüvirakkude abil loodetakse jõuda raskete ajuhaiguste, nt. Parkinsoni ja Alzheimeri tõve ravini. Rakuteraapial arvatakse olevat tähtis koht meditsiini arengus.

KOKKUVÕTE

Koostatud õpimapis on ülevaatlikult välja toodud bioloogiateaduste kasutamisvõimalused. Need on andnud ühiskonnale väga palju, eriti aga geenitehnoloogia, tänu millele on olemas erinevad ravi- ja paljundamisvõimalused. Kuid kindlasti on ees veel väga pikk arengutee , sest on veel palju haigusi, millele pole ravi veel leitud ja palju muud, mis vajab avastamist ja rakendamist.

KASUTATUD KIRJANDUS

Viikmaa, M. ja Tartes, U. 2008. Bioloogi gümnaasiumile II osa 3. Kursus . Tartu, Eesti Loodusfoto: 128