References

scbmt

БИОМЕДИЦИНА

Journal Biomed

2074-59822713-0428

Scientific center of biomedical technologies of Federal Medical and Biological Agency

scbmt-469

Research Article

НОВЫЕ БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

NEW BIOMEDICAL TECHNOLOGIES

Создание гуманизированных мышей для фармакотоксикологических исследований (успехи, неудачи и перспективы)

Creation of humanized mice for pharmacological and toxicological research (progress, failures and prospects)

Каркищенко

Н. Н.

Karkischenko

N. N.

scbmt@yandex.ru

Рябых

В. П.

Ryabykh

V. P.

noemail@neicon.ru

Каркищенко

В. Н.

Karkischenko

V. N.

noemail@neicon.ru

Колоскова

Е. М.

Koloskova

E. M.

noemail@neicon.ru

ФГБУН «Научный центр биомедицинских технологий ФМБА России», Московская областьRussian FederationФГБУН Всероссийский научно-исследовательский институт физиологии, биохимии и питания животных, г. БоровскRussian Federation

2014

21012020

13422

2020

Каркищенко Н.Н., Рябых В.П., Каркищенко В.Н., Колоскова Е.М.

Karkischenko N.N., Ryabykh V.P., Karkischenko V.N., Koloskova E.M.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://journal.scbmt.ru/jour/article/view/469

На основе литературных данных и результатов собственных исследований проведен анализ успехов и неудач при получении трансгенных мышей с интегрированными генами Nat и Cyp3A4 человека, для использования их в качестве биомоделей при испытании фармакологической эффективности и токсичности лекарственных веществ. Дан анализ возможных причин неудач при получении трансгенных мышей, обладающих повышенной экспрессией человеческих генов Nat1, Nat2 и Cyp3A4, передающих трансген по наследству. Обсуждается важность роли промотора при создании генноинженерных конструкций и гуманизированных мышей. Приводятся собственные данные о том, что для получения трансгенных животных методом микроинъекции генных конструкций в пронуклеусы зигот малопригодны разные варианты цитомегаловирусного промотора (cmv). Этот cmv-промотор начинает включать неконтролируемую экспрессию трансгена на очень ранних стадиях развития эмбриона, что зачастую приводит к гибели зародыша. Показаны пути получения гуманизированных мышей с интегрированными генами CYP3A4, а также генами Nat1 и Nat2 человека, с пониженным уровнем активности эндогенной Nat2, без использования мышей с нокаутом собственных генов Nat1 и Nat2 для скрещивания с трансгенными мышами. Анализ собственных результатов и причин неудач в создании трансгенных животных позволил получить нам гуманизированных мышей с интегрированными генами NAT1 и NAT2, обеспечивающими специфическую экспрессию трансгенов, а также создать ДНК-конструкции для животных, несущих ген CYP3A4.

Analysis of successes and failures in obtaining transgenic mice with integrated human Nat genes and CYP3A4, based on the literature data and the results of our own research to use them as biomodels when tested pharmacological efficacy and toxicity of drugs. The analysis of possible causes of failure in obtaining transgenic mice with increased expression of human genes Nat1, Nat2, and CYP3A4, transmitting the transgene inheritance and humanized mice were done. The importance of the role of the promoter in the creation of genetically engineered structures discusses. Its own evidence that to obtain transgenic animals by microinjection method gene constructs into the zygotes pronucleus little different variants cytomegalovirus promoter (cmv). This cmv-promoter starts to include uncontrolled transgene expression at very early stages of embryo development, which often leads to his death provides. The possibility to obtain lines of humanized mice with integrated human genes Nat1 and Nat2 and a very low level of activity of endogenous Nat2 without using mice with knockout genes, Nat1 and Nat2 for crossing with transgenic mice. The analysis of our own results and causes of failures in obtaining of transgenic animals helped to get us humanized mice with integrated Nat1 and Nat2 genes, providing specific transgenes expression and create DNA-construction for animals with CYP3A4 gene.

трансгенные мыши с интегрированными генами человекагуманизированные мышихимерные животныеN-ацетилтрансфераза (Nat1 и Nat2)цитохром Р450гены CYP3A4экспрессия генов Nat1Nat2 и CYP3A4выбор и конструирование промоторовбиологические моделиэкстраполяция на человекаtransgenic mice with integrated human geneshumanized micechimera animalsN-acetyltransferase (Nat1 and Nat2)cytochrome P450Cyp3A4 genesexpression of Nat1Nat2and Cyp3A4 geneschoice and construction of promotersbiomodelsextrapolation to human population

References1

Езерский В.А., Тевкин С.И., Трубицина Т.П., Колоскова Е.М., Шишиморова М.С., Безбородова О. А., Якубовская Р.И., Рябых В.П. Интеграция и тканеспецифическая экспрессия гена лактоферрина человека в молочной железе трансгенных кроликов // Проблемы биологии продуктивных животных. 2013. 4:33-52.

Каркищенко В.Н., Мартынов В.В. Фармакология, генополиморфизм и клонирование генов NAT у человека и животных-моделей // Биомедицина, № 4, 2006, с. 85.

Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования. - М.: Межакадемическое изд-во ВПК, 2004, 607 с.

Каркищенко Н.Н. Альтернативы биомедицины. Т.1. Основы биомедицины и фармакомоделирования. - М.: Изд-во ВПК, 2007, 320 с.

Каркищенко Н.Н. Альтернативы биомедицины. Т.2. Классика и альтернативы фармакотоксикологии. - М.: Изд-во ВПК, 2007, 448 с.

Каркищенко Н.Н., Петрова Н.В., Слободенюк В.В. Высокоспецифичные видовые праймеры к генам Nat1 и Nat2 для сравнительных исследований у человека и лабораторных животных. // Биомедицина. 2014. № 2, с. 4-16.

Руководство по лабораторным животным и альтернативным моделям в биомедицинских исследованиях / под ред. Н.Н.Каркищенко, С.В.Грачева. - М.: Профиль-2С, 2010, 358 с.

Рябых В.П., Шишиморова М.С., Трубицина Т.П., Фаткулина О.Б., Тевкин С.И., Сметанина И.Г. Исследование физиологоэмбриологических и молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе трансгеноза у сельскохозяйственных животных. // Труды регионального конкурса научных проектов РФФИ в области естественных наук. 2007. Вып. 11. С. 451-471.

Boukouvala S. and Sim E. Expression of murine NAT genes in early development // IUBS, Birmingham, 2000. July.

Cao W., Chau B., Hunter R., Strnatka D., Mc- Queen C.A., Erickson R.P. Only low levels of exogenous Nacetyltransferase can be achieved in transgenic mice // Pharmacogenomics J. 2005, 5 :255-261.

Cao W., Strnatka D., McQueen C.A., Hunter R.J., Erickson R.P. N-Acetyltransferase activity and folate levels // Life Sci. 2010. 86 :103-106.

Chan A.W.S., Homan E.J., Ballou L.U., Burns J.C., Bremel R.D. Transgenic cattle produced by reverse-transcribed gene transfer in oocytes // Prod. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. 95 :14028-14033.

Clark A.J., Simons J.P., Wilmut I., Lathe R. Pharmaceuticals from transgenic livestock // Trends Biotech. 1987. 5 :20-24.

Cribb A.E., Grant D.M., Millar M.A., Speilberg S.P. Expression of monomorphic arylamine N-acetyltransferase (NAT1) in human leukocytes // J. Pharmacol. Exp. Ther., 1991. 259 :1241-1246.

Doll M.A., Zang Y., Moeller T., and Hein D.W. Codominant expression of N-acetylation and O-acetylation activities catalyzed by N-acetyltransferase in human hepatocytes // J. Pharmacol. Exp. Ther. 2010. 334 :540-544.

Erickson R., Morgan C., McQueen C.A. 2nd International NAT workshop, Eynsham, Oxford, 2000 abstract no. 1 (цит. по Sim E. 2003).

Estrada-Rodgers L., Levy G.N., Weber W.W. Substrate selectivity of mouse N-acetyltransferases 1, 2 and 3 expressed in COS-1 cell // Drug Metab Dispo. 1998. 26 :502-505.

Fretland A.J., Doll M.A., Gray K., Feng Y., Hein D.W. Cloning, sequencing, and recombinant expression of Natl, Nat2, und NatS derived from the C3H/HeJ (rapid) and A/HeJ (slow) acetylator inbred mouse: functional characterisation of the activation and deactivation of aromatic amine carcinogens // Toxicol. Appl. Pharmacol., 1997. 142 :360-366.

Glowinski I.B., Weber W.W. Genetic regulation of aromatic amine N-acetylation in inbred mice // J. Biol. Chem. 1982. 257 :1424�1430.

Haskell R.E., Bowen R.A. Efficient production of transgenic cattle by retroviral infection of early embryos // Mol. Reprod. Dev. 1995. 40:386�390.

Hein D.W., Doll M.A., Fretland A.J., Leff M.A., Webb S.J., Xio G.H. Molecular genetics and epidemiology of the NAT1 and NAT2 acetylation polymorphisms // Cancer Epidemiol. Biomarkers Prev. 2000. 9 :29�42.

Hickman D., Pope J., Juchau M.R., Namkung M.J., Berry D.L., Zachariah P.K. Oxidative biotransformations of 2-acetylaminofluorenein fetal and placental tissues of humans and monkeys: correlation with arylhydro-carbon hydroxylase activities // Drug Metab. Dispos., 1975. 3:494-501.

Hickman D., Pope J., Patil S.D., Fakis G., Smelt V.M., Stanley L.A., Payton M.A., Unadkat J.D., Sim E. Expression of arylamine Nacetyltransferase in human intestine. Gut, 1998. 42:402-409.

Ilett K.F., Ingram D.M., Carpenter D.S., Teitel C.H., Lang N.P., Kadlubar F.F., Minchin R.F. Expression of monomorphic and polymorphic N-acetyltransferases in human colon //Biochem. Pharmacol., 1994. 47:914-917.

Jenne J.W. Partial purification and properties of the isoniazid transacetylase in human liver: its relationship to the acetylation of p-aminosalicylic acid // Clin. Invest., 1965. 44:19922002.

Johnson N., Troen A., Fernando S., Warren D., Nagy Z., Smith A.D., Sim E. Investigation of W-acetyltransferase (NAT1) in Alzheimer�s disease: identification of a novel NAT1 allelic variant // Eurotox. 2000. London. September.

Kawamura A., Westwood I., Wakefield L., Long H., Zhang N., Redfield C., Sim E. Mouse N-acetyltransferase type 2, the homologue of human N-acetyltransferase type 1 // Biochem. Pharmacol. 2008. 75:1550�1560.

King C.M., Land S.J., Jones R.F., Debiec- Rychter M., Lee M.S., Wang C.Y. Role of acetyltransferases in the metabolism and carcinogenicity of aromatic amines // Mutat. Res., 1997. 376:123-128.

Kloth M.T., Gee R.L., Messing E.M., Swaminathan S. Expression of N-acetyltransferase (NAT) in cultured human uroepithelial cells // Carcinogenesis, 1994. 15:2781-2787.

Koch I., Weil R., Wolbold R., Brockmoller J., Hustert E., Burk O., Nuessler A., Neuhaus P., Eichelbaum M., Zanger U., et al. (2002) Interindividual variability and tissue-specificity in the expression of cytochrome p450 3A mRNA. Drug Metab Dispos 30:1108-1114.

Lamba J.K., Lin Y.S., Thummel K., Daly A., Watkins P.B., Strom S., Zhang J., Schuetz E.G. (2002) Common allelic variants of cytochrome P4503A4 and their prevalence in different populations. Pharmacogenetics 12:121-132.

Lammer E.J., Shaw G.M., Iovannisci D.M., Finnell R.H. Periconceptional multivitamin intake during early pregnancy, genetic variation of acetyl-N- transferase 1 (NAT1), and risk for orofacial clefts // Birth Defects Res. A Clin. Mol. Teratol. 2004. 70:846�852.

Laurence K.M., James N., Miller M.H., Tennant G.B., Campbell H. Double-blind randomized controlled trial of folate treatment before conception to prevent recurrence of neuraltube defects // Br. Med. J. (Clin Res Ed). 1981. 282:1509�1511.

Leff M.A., Fretland A.J., Doll M.A., Hein D.W. Novel N-acetyltransferase 2 alleles that differ in mechanism for slow acetylator phenotype // Biol. Chem., 1999. 274:34519-34522.

Loehle J.A., Cornish V., Wakefield L., Doll M.A., Neale J.R., Zang Y., Sim E., Hein D.W.

Martell K.J., Vatsis K.P. , Weber W.W. Molecular genetic basis of rapid and slow acetylation in mice // Mol. Pharmacol., 1991. 40:218-227.

McNulty, H., McPartlin, J., Weir, D. and Scott, J. Folate catabolism is increased during pregnancy in rats. // Nutr., 1993. 123 :1089-1093.

McPartlin, J., Halligan, A., Scott, J.M., Darling, M. and Weir, D.G. Accelerated folate breakdown in pregnancy // Lancet, 1993. 341. :148-149.

Minchin R.F. Acetylation of p-aminobenzoylglutamate, a folic acid catabolite, by recombinant human arylamine N-acetyltransferase and U937 cells // Biochemistry. 1995. 307:1�3.

Mitchell M.K., Futscher B.W., McQueen C.A. Developmental expression of JV-acetyltransferases in C57BI/6 mice // Drug Metab. Dupo. 1999. v., 27:261-264.

MRC Vitamin Study Research Group. Prevention of neural tube defects: results of the MRC vitamin study. Lancet, 1991. 338:131-137.

Ohsako S., Deguchi T. Cloning and expression ofcDNAs for polymorphic and monomorphic arylamine N-acetyltransferases of human liver // J. Biol. Chem., 1990. 265 :4630-4634.

Pacific I., Benicini C., Rane A. Acetyltransferases in humans: development and tissue distribution // Pharmacology, 1986. 32:283-291.

Payton M., Smelt V., Upton A. and Sim E.A method for genotyping murine arylamine / V-acetyltransferase type 2 (NAT2): a gene expressed in preimplantation embryonic stem cells encoding an enzyme acetylating the folate catabolite p-aminobenzoylglutamate // Biochem. Pharmacol., 1999. 58:779-785.

Pursel V.G., Pinkert C., Miller K., Campbell R.G., Palmiter R.D., Brinster R.L., Hammer R.E. Genetic engeneering of livestock // Science. 1989. 244:1281-1288.

Risch A., Smelt V., Lane D., Stanley L.A., van der Slot W., Ward A., Sim E. Arylamine N-acetyltransferase in erythrocytes of cystic fibrosis patients // Pharmacol. Toxicol., 1996. 78:235-240.

Robertson G.R, Field J., Goodwin B., Bierach S., Tran M., Lehnert A., Liddle C. Transgenic mouse models of human CYP3A4 gene regulation // Mol. Pharmacol. 2003 Jul; 64(1):42-50.

Sadrieh N., Davis C.D., Snyderwine E.G. N-acetyltransferase expression and metabolic activation of the food-derived heterocyclic amines in the human mammary gland // Cancer Res., 1996. 56:2683-2687.

Sakuma T., Takai M., Endo Y., Kuroiwa M., Ohara A., Jarukamjorn K., Honma R., Nemoto N. (2000) A novel female-specific member of the CYP3A gene subfamily in the mouse liver. Arch Biochem Biophys 377: 153-162.

Sim E., Pinter K., Mushtaq A., Upton A., Sandy J., Bhakta S. Arylamine N-acetyltransferases: a pharmacogenomics approach to drug metabolism and endogenous function // Biochem. Soc. Trans. 2003. 31:615�619.

Smelt V.A., Upton A., Adjaye J., Payton M.A., Boukouvala S., Johnson S., Mardon H.J. and Sim E. Expression of arylamine /V-acetyltransferases in pre-term placentas and in human pre-implantation embryos // Hum. Mol Genet., 2000. 9:1101-1107.

Smelt V.A., Mardon H.J., Sim E. Placental expression of arylamine N-acetyltransferases: evidence for linkage disequilibrium between NAT1*10 and NAT2*4 alleles of the two human arylamine N-acetyltransferase loci NAT1 and NAT2 // Pharmacol. Toxicol., 1999. 83:149-157.

Stanley L.A., Mills I.G., Sim E. Localization of polymorphic A�-acetyltransferase (NAT2) in tissues of inbred mice. //Pharmacogenetics. 1997. 7:121-130.

Sugamori K., BrennemanD., Grant D.M. Liver-Selective Expression of Human Arylamine N-Acetyltransferase NAT2 in Transgenic Mice // Drug metabolism and disposition. 2011. 39:882�890.

Sugamori K., Wong S., Gaednigk A., Abramovici H., Rozmahel R., Grant D. Generation and functional characterization of arylamine N-acetyltransferase Nat1/Nat2 double knockout mice // Mol. Pharmacol. 2003. 64:170�179.

Wakefield L., Cornish V., Long H., Griffiths W.J., Sim E. Deletion of a xenobiotic metabolizing gene in mice affects folate metabolism // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007. 364:556�560.

Wakefield L., Long H., Lack N., Sim E. Ocular defects associated with a null mutation in the mouse arylamine N-acetyltransferase 2 gene // Mamm. Genome. 2007. 18:270�27.

Ward A., Summers M.E., Sim E. Purification of recombinant human N-acetyltransferase type expressed in E.coli and characterisation of its potential role in folate metabolism // Biochem. Pharmacol., 1995. 49:1759-1767.

Weber W.W., Vatsis K.P. Individual variability in p-amino-benzoic acid acetylation by human N-acetyltransferase (NAT1) of peripheral blood. Pharmacogenetics, 1993. 3:209-212.

Windmill K.F., McKinnon R.A., Zhu X.Y., Gaedigk A., Grant D.M., McManus M.E. The role of xenobiotic metabolizing enzymes in arylamine toxicity and carcinogenesis: functional and localization studies // Mutat. Res., 1997. 376:153-160.

Xie W., Barwick J.L., Downes M., Blumberg B., Simon C.M., Nelson M.C., Neuschwander- Tetri B.A., Brunt E., Guzelian P.S., Evans R.M. (2000a) Humanized xenobiotic response in mice expressing nuclear receptor SXR. Nature (Lond) 406:435-439.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.