基因敲除小鼠技术

1、转基因、基因敲入/敲除动物技术已经成为现代生命科学基础研究和药物研发领域不可或缺的重要技术，该技术从上世纪七八十年代诞生以来， 已有近四十年的 历史，经典技术如DNA原核显微注射、胚胎干细胞显微注射技术一直以来经久 不衰，并逐渐从基础研究实验室转向商业模式， 成为一项高度标准化的新兴产业、技术介绍与研究进展转基因、基因敲入/敲除动物技术已经成为现代生命科学基础研究和药物研发领域不可或缺的重要技术，该技术从上世纪七八 十年代诞生以来，至今已有近四十年的历 史，经典技术如DNA原核显微注射、 胚胎干细胞显微注射技术一直以来经久不衰， 在小鼠模型构建方面日趋完善，并 且如同剪切酶和抗体等常规分子生物

2、学试剂的制备技术一样，逐渐从基础研究实验室转向商业模式，成为一项高度标准化的新兴产业，催生了数以百计的创新 药物和数以千计的优秀文章。尽管如此，传统技术仍然存在一些难以克服的缺陷，如步骤繁琐、周期漫长、成功率低、费用高昂等，而 ZFN和TALEN等新技术 的出现，或有可能将这一局面彻底改变。、同源重组技术原理基因敲除鼠技术是上世纪80年代中后期基于DNA同源重组的原理发展起来的， Capecchi 和 Smithies 在 1987 年根据同源重组(homologous recomb in atio n ) 的原理，首次实现了 ES的外源基因的定点整合(targeted integration

3、)，这一技术称为"基因打靶"(gene targeting )或"基因敲除"(gene knockout)， 利用这种ES的显微注射就可以制作出基因敲出小鼠 (KOMice: knockout mice);由于这一工作，Cap ecchi和Smithies于2007年与Eva ns分享了诺贝尔医学奖。同源重组(homologous recomb in atio n )定义：是指发生在姐妹染色单体(sister chromati n)之间或同一染色体上含有同源序列的 DNA分子之间或分子之内的重新组合。在基因敲除小鼠制作过程中，需要针对目的基因两端特异性片

4、段设计带 有相同片段的重组载体，将重组载体导入到胚胎干细胞后外源的重组载体与胚 胎干细胞中相同的片段会发生同源重组，如图 1所示：Homologous Recombination：Gon<j lorcjel nq vacicrRHill(y«Mlat9taWc wifker，Homoloq&js 和比9Gr-i<Reg；on reTioved (ran' gencn e/ fSV-ihNga(ie seiec:aoic nnackerRitjjtyn it limit) jefxjriuGartcnric DNAModified qenomic DNA;图

5、1.基因敲除鼠制作同源重组原理示意图制作流程嘩“关畑诚砖卫|S1 脚人僭赴中訣詞皿kxiL E蝉陶评寧 14卉氏昨含于Sdni It小"图2.基因敲除鼠制作过程示意图1. Knockout载体设计与构建 根据研究项目具体情况和要求把目的基因和与细胞内靶基因特异片段同源的DNA片段都重组到带有标记基因（如neo基因，TK基因等）的载体上，成为重组 的Knockout载体。基因组exoniNeoRtarget vectorNeoRaxcfl4救呢基医2. Knockout ES细胞筛选Knockout载体测序验证正确后，将载体线性化，然后电转入 ES细胞，通过载体 上的正负筛选基因获得阳

6、性的 Knockout ES克隆。选取PCF鉴定打靶载体正确插 入的 ES基因组 DNA用于 Southern Blot 鉴定，将 Southern Blot 鉴定的 Knockout ES扩大培养并液氮保存。3. Knockout ES细胞囊胚注射得到嵌合体小鼠扩增经鉴定插入或置换片段位置正确的 Knockout ES细胞，以囊胚显微注射的方 式将一定数量的Knockout ES细胞注入特定品系小鼠囊胚中， 然后将囊胚移植到 假孕的小鼠子宫中。待后代小鼠出生后，通过小鼠的毛色中来源于ES细胞毛色的比例判断嵌合程度的高低，以及该小鼠的后代中可能获得生殖系传递能力。4. 由嵌合体小鼠繁殖出生殖遗

7、传系 Knockout小鼠将嵌合体小鼠与适当品系的小鼠交配， 后代小鼠出生后，通过PCF方式检测小鼠 是否含有打靶序列。如有，则该小鼠为具备生殖遗传能力的Knockout小鼠(F1代鼠)。5. Knockout小鼠生殖系传递鉴定将嵌合体小鼠和适当品系野生型小鼠交配，通过后代小鼠毛色或PCR基因型鉴定的方法验证嵌合体小鼠生殖系传递能力。四、基因敲除常见方法、常规基因敲除鼠(Conventional Knockout )wt Allele15* 卄迓能。1一-1 LI "A .:5 arm -5 4kb3 arrnt-34kbTargeting VectorTargeted Allele

8、6KO Aside (after Cre)卜 LoxPHoFDclog> amiE*on常规基因敲除是通过基因打靶，把需要敲除的基因的几个重要的外显子或者功能 区域用Neo Cassette替换掉。这样的小鼠其全身所有的组织和细胞中都不表达 该基因产物。此类基因敲除鼠一般用于研究某个基因在对小鼠全身生理病理的影 响，而且这个基因没有胚胎致死性。、条件性基因敲除小鼠（Con ditio nal Kno ckout）Wt AlleleTargeting VectorTargeted AHeleCondi. KO AHeleRafter Flp)Condi. KO Allele'aft

9、er Cre1卜 LOUP g Frt- Horriology armcKO regionEm OH条件性基因敲除小鼠是通过基因打靶，把两个 loxP位点放到目的基因一个或几 个重要的外显子的两边。该小鼠和表达Cre酶小鼠杂交之前，其目的基因表达完 全正常。当和组织特异性表达Cre酶的小鼠进行杂交后，可以在特定的组织或细 胞中敲除该基因，而该基因在其他组织或细胞表达正常。条件性基因敲除鼠适用范围为：（1）该基因有胚胎致死性；（2）用于研究该基 因在特定的组织或细胞中的生理病理功能。、基因敲入小鼠（Knockin ）Wt Al fileTarijetin VoclarTargeted Allel

10、e3 tirm 3 5hbKI Allele| after Flp» LokPHornolagi|i, anaH ,mancDNAExon基因敲入小鼠是通过基因打靶，把目的基因序列敲入到小鼠的相应基因位点， 使 用小鼠的表达调控元件指导目的基因表达。此类基因敲入鼠一般用于药物的筛选，信号通路的研究等。获得嵌合体及之后品系纯化详细流程：9亲舍子E55R3S胚来頑斗诃闻野生型小駅野生型卜鼠毛色鉴厚 叱氏鉴超学合子Knot kout小宝东治于F1代K nocka ut/J'61吕巫PCR3EE翼含子査合孑Knockout 小曲*Knockout/、凰野生型小凰* 生 Ktftetm

11、fi 予 £aWJiK°JM&SlMlhRBtJE匸 闻忧兀;忙时出坨苗予汗悚五、基因敲除其他方法一、ZFN技术制作基因敲除鼠ZFN能够识别并结合指定的基因序列位点，并高效精确地切断。随后细胞利用天 然的DNA修复过程来实现DNA勺插入、删除和修改，这样研究人员就能够随心所 欲地进行基因组编辑。这在过去是无法想象的，传统的基因敲除技术依赖细胞内 自然发生的同源重组，其效率只有百万分之一，而ZFN的基因敲除效率能达到10%利用这些技术进行小鼠基因的定点敲除和敲入，可以把时间从一年缩短到 几个月。这项技术中设计特异性的ZFN是最关键的环节，目前研究者采用计算生物学方法

12、设计高特异性的ZFN但ZFN的脱靶(of target )，也就是把不该切的地方切 了的问题仍是一个挑战。也正因为这个原因，利用ZFN技术进行小鼠的基因修饰 还无法完全取代传统技术。二、TALENT术制作基因敲除鼠TALEN技术是一种崭新的分子生物学工具。科学家发现，来自一种植物细菌的 TAL蛋白的核酸结合域的氨基酸序列与其靶位点的核酸序列有恒定的对应关系。 利用TAL的序列模块，可组装成特异结合任意 DNA序列的模块化蛋白，从而达 到靶向操作内源性基因的目的，它克服了 ZFN方法不能识别任意目标基因序列， 以及识别序 列经常受上下游序列影响等问题，而具有ZFN相等或更好的灵活性， 使基因操作

13、变得更加简单方便。然而同样因为脱靶的问题，利用TALENT术进行 小鼠的基 因修饰仍然无法取代传统技术。34 aa repahNG=T HD=C Nl-A.-G/A吩 I II I I； I I T I I 1 -COOH *LTPEQVVAtASNGGKOALETVGRLLPVLCQAHGTAL模块&对应碱基TALEN136aa63aaNH? -|II1!11n MH-COOHNLSTAL序列识别模块EEm23ZTT! 1 !TGTT GGCTTTGATGCTGTTACAA CCGAAACTACGACAA口 I 1 i i i i i iDouft'e strand bf?A

14、kAATTCACTGT AAGTTAACCTAGTTCGGGCCGCGGAGTGACA TTCAATTGGATCAAGCCCGGNan H&mc仙£nrf- JOirvng NHEJ-drsruptfon m 7(? ： ot NHEJ 8ven；5 ty out of 片曰me iiettionsTfernpJat&i六、常见问题与解答1. 什么是ES细胞显微注射？答：胚胎干细胞显微注射是制作基因敲除小鼠的一个最常用的方法。主要过程是将携带目的基因的胚胎干细胞注射到小鼠的囊胚腔中获得嵌合体小鼠。所得嵌合体小 鼠的组织，将同时含有来源于囊胚的细胞和胚胎干细胞。嵌合体小

15、鼠必须 和野生型小鼠配种以决定遗传改变的生殖系能否传递，这样可能获得转基因或打 靶基因（来源于胚胎干细胞）稳定的生殖系传递的小鼠。一般情况下，大约能 获得50%怅承了目的基因的后代。2. 嵌合体遗传学上用以指不同遗传性状嵌合或混杂表现的个体。 免疫学上的涵义则指一个 机体身上有两种或两种以上染色体组成不同的细胞系同时存在 ，彼此能够耐受， 不产 生排斥反应，相互间处在嵌合状态。在基因敲除鼠中指通过向囊胚注射被外 源基因转化了的胚胎干细胞，使得发育成为的个体中含有不同基因型的细胞， 产 生的个体 也叫嵌合体，即该生物体中嵌合了两种不同遗传结构的细胞（一种是 基因型被改变了的细胞，另一种是原来的基

16、因型的细胞）。3. 条件性敲除的原理？答：Cre-LoxP系统是源于P1噬菌体的一个DNA重组体系,由Cre酶和相应的LoxP 位点组成,它能导致重组发生在特定的DNA序列处（LoxP位点），该系统可以将外 源基因定点整合到染色体上或将特定DNA片段删除。基于Cre-LoxP的基因打靶要分两步来进行。首先要在胚胎干细胞的基因组中引入LoxP序列，这一步可以 通过打靶载体的设计和对同源重组子的筛选来实现。下一步通过Cre介导的重组 来实现靶基因的遗传修饰或改变。Cre-LoxP系统既可以在细胞水平上用Cre重 组酶表达质粒转染中靶细胞，通过识别 LoxP位点将抗性标记基因切除，又可以 在个体水平

17、上将重组杂合子小鼠与Cre转基因小鼠杂交，筛选子代小鼠就可得到删除外源标记基因的条件性敲除小鼠。4. 如何鉴定和挑选嵌合体？答：动物只有部分组织细胞整合有外源基因，则称为嵌合体动物。它的鉴定主要根据毛色去鉴定。注射的ES和囊胚来源不同的小鼠品系。它们的毛色不同。因 此可以根据毛色的嵌合率来鉴定和挑选嵌合体。5. ROSA26与定点插入？答：利用同源重组技术，把外面的 cDNA片段或者其他DNA片段，定点插入到 ROSA2位置。ROSA2是个安全区域，外源性的基因定点插入这个位点不会影 响其他基因的表达。七、行业领先企业*? * lbconicTaconic Farmsnc.成立于1952年，是位于纽约哈得孙河谷地区的一家家族企业。自成立以来，公司一直 是世界上最大的实验室啮齿动物供应商之一，在持续 生产高品质、定义明确的 大鼠和小鼠方面拥有良好的口碑。Taconic在转基因小鼠的定制设计和生产、小鼠和大鼠育种、屏障系统、