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转基因技术及其应用

发布日期:2015-11-20   点击次数:108次   作者:

转基因技术及其应用     
      基因动物是指用实验导入的方法将外源基因在染色体基因内稳定整合并能稳定表达的一类动物。1974年,Jaenisch应用显微注射法,在世界上首次成功地获得了SV40DNA转基因小鼠。其后,Costantini将兔-珠蛋白基因注入小鼠的受精卵,使受精卵发育成小鼠,表达出了兔卜珠蛋白;Palmiter等把大鼠的生长激素基因导人小鼠受精卵内,获得“超级”小鼠;Church获得了首例转基因牛。到目前为止,人们已经成功地获得了转基因鼠、鸡、山羊、猪、绵羊、牛、蛙以及多种转基因鱼。
     1. 转基因动物技术
      1.1 原核显微注射法
又称DNA显微注射法,即通过显微操作仪将外源基因直接用注射器注入受精卵,利用外源基因整合到DNA中,发育成转基因动物。其创始人是Jaenisch和Mintz等。Gordon等和Palmiter等先后通过此方法获得转基因动物。此方法目前应用较普遍,现在的转基因动物研究大都是在Palmiter等方法的基础上有所改进而进行的。王敏华(1996)报道用显微注射法转移抗瘟病毒核酸酶基因,获得了转基因兔。KrimPenfort运用体外培养胚胎再施用显微注射法获得了转基因牛这种方法的特点是外源基因的导入整合效率较高,不需要载体,直接转移目的基因,目的基因的长度可达<span lang="EN-US">100Kb。它可以直接获得纯系,所以实验周期短。但需要贵重精密仪器,技术操作较难,并且外源基因的整合位点和整合的拷贝数都无法控制,易造成宿主动物基因组的插入突变,引起相应的性状改变,重则致死
       1.2 转录病毒载体法
将目的基因重组到逆转录病毒载体上,制成高浓度的病毒颗粒,人为感染着床前或着床后的胚胎,也可以直接将胚胎与能释放逆转录病毒的单层培养细胞共孵育以达到感染的目的,通过病毒将外源目的基因插入整合到宿主基因组DNA中去。通过此方法,Slater等得到了转基因鸡,Haskell得到了转基因牛。
       这种逆转录病毒被用重组DNA技术修饰后作为基因载体在应用中优于微注射法之处为:无需要重排,可在整合点整合转移基因的单个拷贝;将胚胎置于高浓度病毒容器中,或者与被感染的细胞体外共同培养,或微注射鸡胚盘里,整合有逆转录病毒的DNA的胚胎率高。缺点是:需要生产带有转基因的逆转录病毒;插入逆转录病毒的基因有一定的大小限度;所得转基因家畜的嵌合性很高,而需要广泛的杂交,以建立转基因系;转基因的表达问题尚未解决。
       1.3 胚胎干细胞介导法胚胎干细胞(Embryonic Stem Cell,简称ES细胞)是将基因导入胚胎于细胞;然后将转基因的胚胎于细胞注射于动物囊胚后可参与宿主的胚胎构成,形成嵌合体,直至达到种系嵌合。因此,可以将其作为一种载体,导入外源基因,获得转基因动物。即从早期胚胎的内细胞团经过体外培养建立起来的多潜能细胞系
      其优点是:在将胚胎干细胞植入胚胎前,可以在体外选择一个特殊的基因型:用外源DNA转染以后,胚胎于细胞可以被克隆,继而可以筛选含有整合外源DNA的细胞用于细胞融合,由此可以得到很多遗传上相同的转基因动物。缺点就是许多嵌合体转基因动物生殖细胞内不含有转基因; 
      目前,胚胎于细胞介导法在小鼠上应用比较成熟,在大动物上应用较晚。Evans等(1981)用不同培养系统从小鼠囊胚的内细胞团分离并建立了多潜能干细胞克隆系;Stice和 
Strelchenko等(1996)获得了牛的胚胎干细胞。
      精子介导法
    近年来利用精子作为外源基因的载体来建立转基因动物极为令人注目。其方法就是将成熟的精子与外源DNA进行预培养之后,使精子有能力携带外源DNA进入卵中,使之受精,并使外源DNA整合于染色体中。精子携带DNA主要是通过三种途径来完成,即将外源DNA与精子共孵育、电穿孔导入法和脂质体传染法
     方法简单、方便,依靠生理受精过程,免去了原核的损伤。1989年Lavitrano等首次利用小鼠附星精子与DNA温育产生转基因小鼠。转基因效率高达30%,外源基因稳定整合到生殖细胞中,由此获得了转基因株系。所以引起了广大科研工作者的极大兴趣,以径自作为载体的,针对不同动物品种的研究工作相继展开。
     2 转基因技术的应用
     2.1  在基础理论方面的应用由于外源动物基因可在转基因动物细胞中整合、表达,并制约于受体基因背景的调控,因此,可把转基因本身当作一个理想的功能标记,进而在理论实践方面得到应用:
    2.1.1 可以对基因的结构和功能进行研究,Jacob和Kollaid等用两种不同的基因的局部片段组合成融合基因,做转基因工作,观察了这些异常的外源基因在宿主动物中的表达情况,并进行了有意义的探讨
    2.1.2  可以进行组织表达特异性研究,Fukamizu等用含有转录起点上游3Kb,下游1.2Kb的人肾素基因构建转基因小鼠。
    2.1.3  还可以研究发育过程的特异性表达。将不同的外源基因转入宿主动物受精卵或早期胚胎干细胞,可观察研究目的基因在胚胎不同发育阶段的特异性表达、闭关及调控机理。Kollais等把含有不同片段的珠蛋白基因导人小鼠,对他们在小鼠发育中的特异表达进行了研究。
    2.2    在畜牧兽医中的应用
    2.2.1  应用于动物抗病育种转基因技术可以用于动物抗病育种,通过克隆特定基因组中的某些编码片段,对之加以一定形式的修饰以后转人畜禽基因组,如果转基因在宿主基因组能得以表达,那么畜禽对该种病毒的感染应具有一定的抵抗能力,或者应能够减轻该种病毒侵染时对机体带来的危害。其用于遗传育种,不仅可以加速改良的进程,使选择的效率提高,改良的机会增多,并且不会受到有性繁殖的限制。例如Berm将抗流感基因Mx转入猪;Clements等将Visna病毒(绵羊髓鞘脱落病毒)的表壳蛋白基因(Eve)转入绵羊,获得的转基因动物抗病力明显提高;丘才良把一种寒带比目鱼抗冻基因(AFP)成功地转移到大西洋鲑中,为提高某些鱼类的抗寒能力做了积极的尝试。
     2.2.2  应用于动物生产通过转基因技术,可以促进动物生长、提高畜产品产量、改善品质。继Palmiter将大鼠GH基因导入小鼠基因组得到巨型小鼠之后,牛、绵羊以及人的GH基因也先后导入小鼠基因组,得到的转基因小鼠在快速生长期(5-11周)生长速度达到对照组小鼠的4倍。外源GH调节生长的机理被认为是可以刺激宿主动物胰岛素样生长因子的合成与分泌。
    1996年,新西兰科学家关于转基因绵羊羊毛产量增加的报道吸引了不少同行的目光。Damak等将小鼠超高硫角蛋白启动子与绵羊的IGF-I 
    cDNA融合基因显微注射到绵羊原核期胚胎,移植后生出5只羔羊,其中两只(一公一母)为转基因阳性。用转基因羊与43只母羊交配,生出85只羔羊,其中43只(50.6%)为转基因阳性。羔羊在14月龄剪毛时,转基因羊净毛平均产量比其半同胞非转基因羊提高了6.2%,公羔羊产毛量提高的幅度(9.2%)高于母羊3.4%)。在毛纤维直径、髓质以及周岁体重方面无明显差别。
    2.3  在医学领域中的应用
    2.3.l  建立诊断和治疗人类疾病的动物模型在动物转基因技术问世以前,发现自然突变体几乎是遗传学家获得遗传疾病模型的唯一途径。目前,遗传学家可以通过精确地失活某些基因或增强某些基因的表达来制作各种各样的研究人类疾病的动物模型,也可以为研究诸如AIDS这样的疾病提供合适的动物模型。
    Yu等将突变的人甲状腺受体基因与 β-肌动蛋白基因启动干融合后转入小鼠的基因组,以研究这种突变可能的结果。其研究结果表明,阳性小鼠体型普遍小,生长迟缓,眼睛睁开的时间晚,部分阳性小鼠眼睛眯缝,眼球小。其中一只阳性小鼠在6月龄时眼睛瞎了,此外,转基因阳性小鼠与对照组小鼠相比寿命都短,多于11一12月龄时死亡。这一系列的结果为诊断乃至治疗人类类似的疾病积累了宝贵的资料。
    2.3.2  用于生产药用蛋白用转基因动物的乳腺生产重组蛋白(乳腺生物反应器)可能是转基因动物的最大应用,这也是世界范围内转基因研究的热点之一。Swamdom(1992)用β-球蛋白的4个核酸酶I的高敏位点与人的两个基因相连,融合基因产生的转基因猪与鼠的原型相似。Sham(1994)用同源性猪-球蛋白的基因做启动子连接入β-球蛋白基因编码区,在转基因猪中高效表达出人的血红蛋白。
目前,把转基因动物当作生物反应器来生产药用蛋白已经受到国际社会的极大关注,不仅各国政府投资,一些私人集团也不惜投入大量资金加以研究和开发。
    2.3.3  生产可用于人体器官移植的动物器官异源器官移植可能是解决世界范围内普遍存在的器官短缺的有效途径,目前对器官供体动物研究较多的是猪。猪作为人类器官移植的供体动物有以下一些优势:妊娠期短,产仔数多,后代生长快,而且不存在伦理方面的问题。更重要的是猪的不同发育时期的器官,诸如心脏、肾等与不同年龄的人的器官在大小上比较接近,极有可能代替病人的某些器官。
满国彤等(1998)对转入 CD59基因抑制猪供人移植HAR体外研究,利用脂质体转染成功地将LXSN—CD59转入猪血管内皮细胞,获得表达CD59蛋白克隆细胞,发现其表达的CD59蛋白对人体补体有调节作用。White博士等人的研究结果和最近Kroshus,Miyagawa等人的研究表明,携带人类免疫系统基因的转基因猪作为人类异种器官移植供体的前景美好,方法可行。
    转基因的应用存在的问题及展望
    3.l 转基因表达水平低,许多转基因的表达强烈地位受着其宿主染色体上整合位点的影响,往往出现异位表达和个体发育不适宜阶段表达,影响转基因表达能力或基因表达的组织特异性,从而使大部分转基因表达水平极低,极少部分基因表达水平过高。
  3.2 难以控制转基因在宿主基因组中的行为,转基因随机整合于动物的基因组中,可能会引起宿生细胞染色体的插入突变,还会造成插入位点的基因片段丢失,插入位点周围序列的倍增及基因的转移,也可能激活正常状态下处于关闭状态的基因。
  3.3 不了解哪些基因控制多数生理过程,不了解基因表达的发育控制和组织特异性控制的机制。
  3.4 制作转基因动物的效率低,这是目前几乎所有从事转基因动物研究的实验室都面临的问题,也是制约着这项技术广泛应用的关键。
  3.5 对传统伦理是一种挑战,对人类的生存有一定的负面作用等。
  当然,我们不能因为这些缺点的存在就否定转基因技术的研究价值。因为它作为一种新兴的生物技术,配合其他相关的生物技术将具有广阔的应用前景。随着这一技术日趋成熟,许多问题有望逐步得到解决。
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