动物基因是如何转移的?

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所属分类:百科知识2014年

通过基因工程技术把外源性目标基因导入某种受体动物的生殖细胞、胚胎干细胞和早期胚胎,并在其染色体上稳定整合,之后经过各种发育途径把外源性基因传递到子代,这就是动物的转基因,或称转基因动物。

  外源性基因导入受体动物有不同的方法,同时,由于有不同的受体动物,因此要根据实际情况采用不同的方法对动物进行转基因。大致而言,动物转基因的方法有:逆转录病毒法、显微注射法、胚胎干细胞介导法、精子载体法和体细胞核移植法(体细胞克隆介导法)等。

  通过逆转录病毒转移基因

  研究人员早就发现,逆转录病毒常常能侵入宿主细胞并整合于细胞中的DNA,因此逆转录病毒被用来当成载体以进行外源性基因的转移。一般做法是,把外源性基因插入到逆转录病毒,再由逆转录病毒感染受体动物的胚胎。此后将感染的桑椹期胚胎导入动物子宫,就可发育成携带外源性基因的子代动物。

  具体的原理是,逆转录病毒的核酸在逆转录酶作用下会反转录为双链DNA,然后整合到受体细胞核基因组中。由于逆转录病毒DNA的长末端重复序列(LTR)区域具有转录启动子活性,如果把外源基因连接到LTR下部进行重组后,包装成高滴度病毒颗粒,加入到动物早期胚胎的培养液中,或与胚胎共同培养,或注入囊胚腔中,携带外源性基因的逆转录病毒DNA就可以整合到宿主染色体上,达到外源性基因转移到受体动物胚胎的目的。

  2001年,美国哥伦比亚大学的帕克等人利用逆转录病毒将绿色荧光蛋白(EGFP)基因转入猪的成纤维细胞和耳上皮细胞,然后用这些细胞的细胞核进行核移植,获得了能发出绿色荧光的转基因猪。与此同时,其他研究人员利用这种方法培育出转基因猴。

  但是,逆转录病毒作为载体具有潜在的致癌性,而且载体的构建较为复杂,容纳外源性基因的大小也有限,因此这项技术的应用受到一定限制。

  显微注射法转移基因

  动物转基因的显微注射法又称受精卵原核显微注射法,是用直径约0.5~1微米的玻璃微管吸入外源性基因,直接插入到受体动物的受精

  卵的细胞内,将外源性基因注入细胞中,然后通过受体动物基因组序列可能发生的重组、缺失、复制或易位等,使外源性基因嵌入受体动物的染色体内,最后这样的胚胎移植到代孕母体子宫内并发育成子代个体。

  1980年美国的戈登等人首先用显微注射法创造了转基因小鼠。他们把小鼠的受精卵取出来,在显微镜下将胸苷激酶基因用玻璃微管送入受精卵的细胞中,然后将受精卵输入代孕母鼠的子宫内,最终发育成转基因小鼠。此后研究人员相继把人的珠蛋白基因和胰岛素基因转入小鼠体内。

  显微注射法的优点是,动物的任何外源性基因都可转入受体动物体内,而且用这种方法已经获得转基因小鼠、鱼、大鼠、兔子以及转基因牛、羊、猪等。但是,这种方法转移外源性基因到受体动物的染色体时是随机整合的,因而难以控制其整合率。另外对外源性基因能否稳定整合于受体基因组的检测必须等到子代个体出生后才能进行和确认,不利于在生育期长、产仔少的大家畜中应用。

  胚胎干细胞介导法

  胚胎干细胞(ES)是从哺乳动物囊胚期内的细胞团中分离出来的尚未分化的胚胎细胞,具有发育的多能性,能够分化出各种组织。20世纪80年代中期研究人员就开始利用胚胎干细胞进行动物转基因。方法是,将外源性基因直接导入胚胎干细胞,经体外培养筛选后再注入到受体胚胎,与其中的胚胎细胞聚集在一起,成为受体胚胎的一部分,参与其分化。

  此后,这种胚胎可发育成嵌合体的转基因动物,这种动物体内有一部分组织来源于整合有外源性基因的供体胚胎干细胞。在嵌合过程中,从胚胎干细胞分化而成的生殖细胞可通过杂交将转入的外源性基因传递到子代。

  研究证明,胚胎干细胞介导法可使受体动物细胞中外源性基因整合率达50%,其中生殖细胞中外源性基因整合率可达30%。但是,建立胚胎干细胞系比较困难,现在只建立了小动物的胚胎干细胞系,猪、羊、牛等大型动物的胚胎干细胞系尚未建立。

  精子载体法

  早在1971年,研究人员就发现,外源性基因可以进入动物精子。后来,研究人员将精子反复冷冻或经化学物质处理后与外源性基因共同孵育,使外源性基因与精子结合,通过人工授精获得转基因个体。

  1989年,意大利研究人员拉维特拉诺将小鼠附睾精子与线粒体或环状pSV2CAT质粒一起在37℃下孵育30分钟,再用这种精子对成熟卵子进行体外授精,这样得到胚胎移植入受体鼠的子宫孕育,通过受体鼠孕育产出250只小鼠,以CAT基因为标记进行检测,发现有30%的小鼠成为转基因鼠。

  目前研究人员通过精子载体法已获得了12种转基因动物,如转基因牛、猪、家兔和小鼠等。但是,这种方法进行动物转基因的成功率不高,效果也不稳定,还有待进一步研究和发展。其中,必须弄清楚精子和外源性基因结合的分子机制,外源性基因在精子和受精卵内的复制机理,以及促进精子结合外源性基因的方法和途径。

  体细胞核移植法

  体细胞核移植法又称体细胞克隆介导法,原理是,将外源性基因导入动物体细胞染色体

  中,然后通过显微操作技术将转入了外源性基因的细胞核移植到去核的卵母细胞中构成一个重建卵子,然后用人工方法让这个卵子发育,形成胚胎,再把胚胎移植到受体动物中,经妊娠、分娩后获得转基因克隆动物。

  利用体细胞核移植法是目前动物转基因中的高级技术,1997年世界上第一个转基因绵羊(克隆羊)多利就是用这种方法产生的,是英国PPL公司与罗斯林研究所率先应用体细胞核移植法获得的成果。

  多利诞生的过程和原理可以详细解释体细胞核移植法进行的动物转基因。

  研究人员先从一只6岁的芬兰多塞特雌性白面绵羊(简称A)的乳腺中取出乳腺细胞,将其放入低浓度的培养液中,细胞逐渐停止分裂,这个细胞称为供体细胞。此后,研究人员从一头苏格兰黑面雌性绵羊(简称B)的卵巢中取出未受精的卵子,并将细胞核去除,使这个卵子成为一个无细胞核的卵细胞,也称为受体细胞。

  然后,研究人员利用电脉冲方法让供体细胞和受体细胞融合,在这个过程中A细胞的细胞核融入B细胞中并像受精卵一样产生细胞分裂、分化,从而形成胚胎。最后将这个胚胎移植到另一只苏格兰黑面雌性绵羊(简称C)的子宫内,胚胎正常发育,足月孕育后绵羊C娩出小绵羊多利。

  从这个过程可以看出,多利的主要遗传物(细胞核DNA)来自多塞特雌性白面绵羊(A),当然,多利身上还有来自苏格兰黑面雌性绵羊(B)的线粒体DNA,因为B细胞尽管去除了细胞核,在其细胞质中还有多种细胞器,其中就含有线粒体,线粒体也是一种遗传物质。所以,多利有3位母亲,一是基因母亲多塞特白面母绵羊(A);第二个是借卵母亲,也称线粒体母亲,即剔除了细胞核的苏格兰黑面绵羊(B),胚胎是在B的卵子中借壳融合、分裂、发育而成的;第三个是代孕母亲,即另一头苏格兰黑面雌性绵羊(C),多利是在绵羊C的子宫中孕育并分娩的。

  从这个意义上看,这样的转基因实际上转移了多塞特雌性白面绵羊(A)的全部细胞核的基因组。由于多利没有父亲,是通过无性繁殖即克隆而来,因此这样的转基因方法也称为体细胞克隆介导法。

  【责任编辑】张田勘

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