基因靶向

基因打靶一般指本詞條

基因靶向(英語:gene targeting,又稱為基因打靶)是一種利用同源重組方法改變生物體某一內源基因的遺傳學技術。這一技術可以用於刪除某一基因、去除外顯子或導入點突變,從而可以對此基因的功能進行研究。基因打靶的效果可以是持續的,也可以是條件化的。例如,條件可以是生物體發育或整個生命過程中的一個特定時刻,或將效應限制在某一特定組織中。基因打靶的優點在於可以套用於任何基因,無需考慮其大小和轉錄活性。

2013年10月和11月分別獲得世界首例經過CRISPR/Cas9基因靶向修飾及TALENs基因靶向修飾的兩隻小猴。

基本介紹

  • 中文名:基因靶向
  • 外文名:gene targeting
  • 又稱:基因打靶
  • 篩選:用選擇培養基篩選已擊中的細胞
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技術介紹

“基因靶向”技術,通常被稱作基因敲除。是指對一個結構已知但功能未知的基因,從分子水平上設計實驗,將該基因去除,或用其他相近基因取代,然後從整體上觀察實驗動物,推測相應基因的功能。
基因靶向

技術發展

基因打靶技術是從20世紀80年代發展起來的,是建立在對同源重組不斷了解的基礎之上。首先是以酵母這種較為簡單的真核模式生物為基礎,來對相關技術進行研究。隨著外源DNA導入酵母細胞方法的建立、標記基因有效選擇的利用、同源重組轉化子篩選系統的建立、載體同源序列DNA(靶標)雙鏈斷裂提高同源重組效率的利用,使得基因打靶技術逐漸成熟起來。而對於哺乳動物細胞,由於其基因組比酵母細胞要大且複雜,基因打靶的成功率很低。因此要將基因打靶技術套用於哺乳動物,還需要新的策略。1989年,利用胚胎幹細胞,美國科學家馬里奧·卡佩奇和奧利弗·史密斯與英國科學家馬丁·埃文斯,將基因打靶技術成功地套用於小鼠;他們也因此獲得了2007年諾貝爾生理學與醫學獎。
2013年3月,雲南中科靈長類生物醫學重點實驗室、中科院昆明動物研究所、南京醫科大學、南京大學、同濟大學等多家單位合作,利用目前世界最新的基因組編輯技術CRISPR/Cas9和TALENs實現獼猴和食蟹猴兩個物種的靶向基因修飾,同年10月和11月分別獲得世界首例經過CRISPR/Cas9基因靶向修飾及TALENs基因靶向修飾的兩隻小猴。

原理方法

將外源DNA導入靶細胞後,利用基因重組,將外源DNA與靶細胞內染色體上同源DNA間進行重組,從而將外源DNA定點整合入靶細胞基因組上某一確定的位點。
基因靶向
對於不同的生物體,所使用的基因打靶的方法也不用。對於小鼠來說,大致的流程如下:
從小鼠胚胎上提取幹細胞;
同時,構建靶載體,靶載體中含有與靶基因同源的DNA片段;
將靶載體轉染到幹細胞中;
將篩選後獲得的含有靶載體的幹細胞進行擴增;
將含有靶載體的幹細胞注入小鼠胚胎;
胚胎髮育為嵌合體小鼠(部分器官為該改造後的幹細胞發育而成)後,通過選擇性培育(將嵌合體小鼠與正常小鼠交配,在下一代中進行篩選),獲得基因敲除小鼠(全部器官為該改造後的幹細胞發育而成)。
修改後的方法還可用於其他哺乳動物,如牛、羊、豬等。
基因打靶技術還被用於一些植物,特別是小立碗蘚的研究。

事例

“基因靶向”技術利用胚胎幹細胞改造老鼠體內的特定基因。在“基因靶向”技術的幫助下,科學家可以使實驗鼠體內的一些“不活躍”基因失去作用,從而發現這些基因的實際功能。科學家希望藉此發現人類一些疑難雜症在分子水平上的發病原因,並最終找到治療途徑。目前,“基因靶向”已被套用於對囊腫性纖維化、心臟病、糖尿病、阿爾茨海默症和癌症的研究。
基因靶向
在公報中,諾貝爾獎評審委員會指出,“基因靶向”的套用為人類的胚胎髮育以及人類對抗衰老和疾病帶來了希望。“在老鼠體內進行的‘基因靶向’已經滲透到生物醫學的各個領域。在未來許多年內,它將繼續幫助人類理解基因功能,繼續造福人類。”公報中這樣寫道。 2007年度諾貝爾獎評選活動於8日在瑞典首都斯德哥爾摩拉開帷幕。瑞典卡羅林斯卡醫學院當日宣布,將2007年度諾貝爾獎首個獎項——諾貝爾生理學/醫學獎授予美國人馬里奧·卡佩基奧利弗·史密斯和英國人馬丁·埃文斯 ,以表彰他們在幹細胞研究方面尤其是“基因靶向”技術的發明方面所作的貢獻。
“基因靶向”的技術也已經運用到醫學以及化妝品領域中。

基因敲除

實驗步驟

構建重組基因載體
絕大多數的基因敲除策略都是基於同源重組的機制,其基因載體包括載體骨架、靶基因同源序列和突變序列及選擇性標記基因等非同源序列,其中同源序列是影響同源重組效率的關鍵因素。
用電穿孔顯微注射方法
把重組DNA轉入受體細胞(一般是胚胎幹細胞)核內。
基因靶向(基因打靶)
同源重組
基因重組時以載體的同源序列取代染色體靶位序列,實現載體DNA同源目的序列與染色體靶位點的同源重組。
篩選
用選擇培養基篩選已擊中的細胞。
表現型研究研究
將擊中細胞轉移入胚胎使其生長成為轉基因動物,對轉基因動物進行形態觀察及分子生物學檢測。

RNAi引起

RNAi引起的基因敲除:由於少量的雙鏈RNA就能阻斷基因的表達,並且這種效應可以傳遞到子代細胞中,所以RNAi的反應過程也可以用於基因敲除。

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