转基因动物的制备

1980 年底 Gordon 等人首次将克隆的基因注入小鼠受精卵原核，然后移植于假孕的母鼠输卵管 , 培育出第 1 个转基因动物。这种将外源性基因用实验方法插入动物生殖细胞的基因组而获得具有插入基因特性，并能正常繁衍的动物称为转基因动物 ( transgenicanimals) 。转基因技术是生物学领域最新重大进展之一，已能渗透到生物学、医学、畜牧学等学科的广泛领域。转基因动物已成为探讨基因调控机理、致癌基因作用和免疫系统反应的有力工具。同时人类遗传病的转基因动物模型的建立，为遗传病的基因治疗打下坚实的理论和实验基础。
转基因技术涉及外源基因的组建、载体、受体、基因导入技术、供转基因胚胎发育的体外培养系统和宿主动物等方面的内容。

 

一、转移基因
( 一 ) 转移基因的原理：转基因技术的理论基础在于各种生物的遗传密码都是统一的。都是以 3 个碱基决定一个氨基酸这样的密码形式贮存在 DNA 链上，各物种间形状的不同仅仅是由于 DNA 上的四种核苷酸排列次序的不同，同时各种生物从 DNA 到蛋白质合成都服从“中心法则” , 当一个物种的细胞内加入另一物种或人工合成的 DNA( 即基因 ) 后就可能产生新的性状。
( 二 ) 基因的获得：取自现有的生物体如病毒、细菌、体细胞或肿瘤细胞的 DNA, 用限制内切酶或外切酶把 DNA 切割成若干小段 , 然后再把这些小段利用连接酶分别放入载体中 , 并建成载体克隆。载体通常是一种独立的，能自我复制的遗传物质，如质粒、某些噬菌体和病毒均可作为载体。基因的片断可随载体复制，有时亦可表达，用 DNA 或抗体探针做分子杂交试验或 ELISA 试验筛选出带有理想基因的克隆 , 再把理想基因载体放入大肠杆菌等宿主细胞中扩大、增殖 , 或采用 PCR 的方法扩增。再对扩增的 DNA 片断进行适当修饰 , 例如将一个单一的基因与经选择的启动子重组合，然后进行转移，或将特定的控制序列连接到目的基因的结构序列上，从而创造 1 个新的重组基因 , 然后再进行转移。
理想基因也可用人工合成的办法获得，要合成一特定的基因，就是要合成具有一定排列顺序的 DNA ， DNA 上四种碱基的配对是非常严格的 , 腺嘌呤 (A) 必定和胸腺嘧啶 (T) 配对，鸟嘌呤 (G) 必定和胞嘧啶 (C) 配对，由于蛋白质合成不是直接以 DNA 作为模板 , 而是以 DNA 的副本 mRNA 作为模板，在 RNA 中，用尿嘧啶 (U) 代替了胸腺嘧啶 (T) 。

 

二、基因转移的受体细胞
研究转基因动物的制备，首先要考虑用何种转基因受体细胞。选择合适的受体细胞和可行的基因导入途径，是该技术成功的前提。基因转移的受体细胞必须是全能细胞，全能细胞随着细胞分化、胚胎发育，可以把其中的基因组贮存的全部遗传信息扩大到生物体所有的细胞中。除此以外至少是多能细胞。满足转基因动物需要的受体细胞有以下几种。
( 一 ) 原生殖细胞：禽类的原生殖细胞容易分离、培养和冷冻，所以，这种受体细胞在禽类动物较易实现。
( 二 ) 配子：配子能把自身携带的基因组全部信息和外源插入基因序列，完整地贡献给合子。由于精子可用作有效的转移载体，所以，可以精子作为目的基因的受体。较多的是用重组病毒直接感染精子，精子即可把外源基因传到合子。
( 三 ) 受精卵或胚胎内细胞团：精卵结合形成的单细胞受精卵，是最常用的外源基因转移的受体；受精后的早期胚胎及囊胚期稍后的胚胎含有的内细胞团，该细胞团内含有未分化的胚胎干细胞，也可认为是全能的，或至少是多能性的，所以，用该时期的内细胞团或囊胚期的细胞作为外源基因的受体细胞，也可望达到基因转移的目的。但这种情况下制备的转基因动物多为嵌合体。

 

三、实验动物的准备
本文主要叙述制备转基因鼠的实验程序。
( 一 ) 不育雄性公鼠 : 结扎公鼠与母鼠交配以后产生假孕母鼠。受结扎的公鼠需 8 周以上，对种系无特殊要求。在正式实验前，结扎公鼠需与性成熟的雌性小鼠交配，反复交配两次或三次，经检查雌体有阴道栓，但均不怀孕产仔，则证明结扎成功。结扎公鼠使母鼠产生阴道栓的能力可维持 2 年。值得注意的是，如结扎公鼠与母鼠交配 4 ～ 6 次均不能产生阴道栓，则该公鼠必须更换。
( 二 ) 假孕雌性母鼠 : 作为获得外源基因即转基因胚胎的养母，要求 6 周龄至 5 个月较合适，对种系无特殊要求。其生殖系统的生理状态应与移进胚胎的发育阶段同步化，从而为移植胚胎提供着床和继续发育的生理条件。将选好的成年健康雌性个体与不育雄性个体进行交配，时间应与供体 ( 取受精卵的雌体 ) 同时进行。一般为下午 4 点钟合笼 , 次日晨选有阴道栓的待用。
( 三 ) 取受精卵的雌性母鼠：如果无特殊遗传背景的要求，一般用杂交 F1 受精卵较为理想。因杂交 F1 代胚胎的发育能力和对外环境的耐受能力都较强，有益于提高移植胚胎的出生率。在对遗传背景有特殊要求的情况下，供卵母鼠需选择种系，例如把一种鼠的等位基因转移到另一种不同等位基因的种系，这种卵供体母鼠必须有特定的遗传背景，因此需用纯系鼠。在实际操作中，一般用 4 ～ 6 周母鼠作为超排卵供体， 3 ～ 4 周母鼠产卵更多但卵细胞膜脆性较大，在处理过程中易破裂，而 6 周以后母鼠产卵逐渐减少。
( 四 ) 与卵供体母鼠交配的正常公鼠：公鼠性成熟约在 6 ～ 8 周，不同种系有些区别。每个作超排卵的母鼠与一只公鼠交配，次日上午检查是否有阴道栓并作记录。如两次以上都不能使母鼠有阴道栓，或总的阴道栓产生率低于 60 ～ 80 ％，则需更换公鼠。

 

四、基因导入的方法
( 一 ) 显微注射法：在显微镜下，可借助显微操作仪，将毛细玻璃管直接插入受精卵的雄原核中 ( 较大的原核 ), 注入特定的外源基因 , 即为基因显微注射法。下面把利用显微注射法制备转基因鼠的方法和步骤简述如下。
1. 超数排卵 ( 超排 ) 与取卵
(1) 超数排卵：在雌性动物发情周期的某一阶段 , 用促性腺激素促使卵巢里大量卵泡成熟并排出，称超数排卵。影响母鼠超排因素有母鼠的性成熟程度、营养、体重及母鼠种系。超排的最佳时间随种系不同而异 , 一般在 3 ～ 5 周，超过 6 周超排卵数明显减少。
在实际操作中常取 4 ～ 6 周龄的母鼠作超排卵供体，腹腔注射孕马血清 (PMS) 和人绒毛膜促性腺激素 (hCG) 诱导母鼠排卵。 PMS 模拟卵泡刺激素 (FSH) 作用， hCG 模拟黄体生成素 (LH) 的作用。二者注射时间间隔为 42 ～ 48h ，排卵发生在注射 hCG 后 10 ～ 13h, 注射剂量为每鼠 5 ～ 10u 。为了实验方便，常在下午注射 PMS ，隔日同一时间注射 hCG ，注射 hCG 后每只母鼠置于一个单独饲养的正常公鼠笼内，次日晨检查阴道栓。
(2) 取卵：用颈椎脱臼法处死有阴道栓的雌鼠，把完整的输卵管带一小段子宫剪下 , 置于 PBS 平衡盐溶液中，在解剖镜下找出输卵管伞部，用带 4 号针头的注射器将受精卵冲出，立即将卵子换至新鲜培养液内洗涤 3 ～ 4 次即可用于显微注射。
2. 注射外源 DNA ：显微注射需用显微操作仪，用来控制显微持卵针和显微注射针。持卵针是显微注射时固定受精卵的细玻璃管，管口平滑，通过一注射器控制持卵针，使其吸住要进行注射的受精卵。用来注射外源 DNA 的细注射针管表面平滑，尖端锋利 , 便于注射时穿过透明带、细胞膜等。取已制备好的受精卵细胞和外源 DNA 悬液 , 在倒置显微镜下做显微注射。注射时先用持卵针吸住受精卵，再用注射针吸取外源 DNA 悬液 , 然后推动注射针，使其刺入受精卵的雄原核，将 DNA 注入。注射完毕，慢慢抽出注射针 , 将受精卵放入新的培养液中，使其恢复。一般 50 ～ 80 ％的受精卵在显微注射后仍保持健康。
3. 注射后受精卵 ( 或胚胎 ) 的移植：注射后单细胞至桑椹胚的卵 ( 受精后 0.5 天到 3.5 天 ) 移植至受孕后的 0.5 天的假孕鼠的输卵管，输卵管移植需用被透明带包裹的卵。也可将注射有外源 DNA 的受精卵或桑椹胚体外培养至囊胚，再行移植。显微注射后 3.5 天的囊胚移植至受孕后 2.5 天的假孕鼠子宫，子宫移植不需要有透明带。
此法的优点是，在一定设备和经验条件下，实验过程大为简化；任何 DNA 顺序都可直接导入原核内 , 导入的外源 DNA 在卵裂前与受体基因组整合 , 其缺点在于导入的外源 DNA 通常以多拷贝
( 二 ) 逆转录病毒感染法：以逆转录病毒作载体， 把重组的逆转录病毒载体 DNA 包装成高滴度病毒颗粒，感染发育早期的胚胎，将外源基因导入宿主的染色体内的方法称为逆转录病毒感染法。此法操作简单，可通过注射将重组病毒转移到囊胚腔内，也可将去透明带的胚胎与分泌重组病毒颗粒的细胞共培养，以达到将外源 DNA 转移到胚胎中去的目的。
这一方法的优点是，重组逆转录病毒可同时感染大量胚胎。感染后的整合率高；外源 DNA 在受体细胞基因组中的整合通常是单拷贝的；不需要昂贵的显微注射设备。本法的缺点是，由于选用的受体是早期胚胎，不是受精卵，致使外源 DNA 在动物各种组织中的分布不均 , 不易整合到生殖细胞中；由于病毒衣壳大小有限 , 限制了被导入的外源 DNA 的大小，一般不超过 15Kb 。
( 三 ) 胚胎干细胞介导法：囊胚的内细胞团含有未分化的胚胎干细胞。体外建株的胚胎干细胞称为 EK 细胞 (embryonic karyotype cell) 或 (embryonic stem cell) 。 如果将 EK 细胞移植到正常发育的囊胚腔中，它们能很快地与受体的内细胞团聚集在一起，参与正常的胚胎发育。用重组的逆转录病毒作为载体感染 EK 细胞， 再将此 EK 细胞移植入受体囊胚腔，可发育成携带着特定外源 DNA 的个体。
采用这一方法的优点是，外源 DNA 的整合率高； 整合在生殖细胞中的比例也很高。缺点是， EK 细胞株不易建立，长期培养后出现细胞分化现象；生产的转基因动物都是嵌合体。
( 四 ) 精子载体法 将外源 DNA 与精子一起孵育，精子可捕获外源 DNA ，并通过受精过程将外源 DNA 导入受精卵。此法不仅可免去复杂而昂贵的设备， 且可省去不少繁杂的操作和条件准备。但该法有些结果不能重复。
此外，还有一些其它的方法，都有不同的优缺点。

 

五、转基因鼠的检测
待假孕母鼠产出幼仔后 , 可用幼鼠尾巴提取 DNA; 对于一些基因调控研究 , 需要尽快获得信息而暂不需保留转基因鼠，从胎鼠组织或幼鼠尾巴提取的 DNA, 可用 PCR 、 Dot blot
( 斑点杂交 ) 、 Southern blot(Southern 转移 ) 等多种方法分析以确定是否转基因鼠。

 

六、基因转移后的存在方式及表达
( 一 ) 外源基因导入后的存在方式：外源基因被导入受体细胞后，在受体细胞内的存在方式有三种：
1. 非同源重组。大多数外源基因导入受体细胞后 , 与受体细胞染色体的某一位点随机整合，这样可带来正常基因的插入、缺失、易位等突变。
2. 同源重组。导入的外源 DNA 与受体细胞染色体的 DNA 通过顺序取代或顺序插入实现同源重组。通过同源重组有可能导致受体细胞正常的基因发生突变，当然，也有可能代替原来的有遗传缺陷的遗传基因，从而纠正遗传缺陷。
3. 游离存在。外源基因没有整合到受体细胞中 , 而是以附加体的形式游离在受体细胞内，能自我复制，并能 100 ％的传给下一代。
( 二 ) 外源基因导入后的表达：外源基因导入受体细胞后能否表达，是受许多因素影响的。
1. 外源基因本身的结构和性质。
2. 附带的原核载体顺序。研究发现，原核载体的存在对α - 甲胎蛋白、β - 珠蛋白等基因的表达具有明显的抑制作用，而对免疫球蛋白和胶原蛋白基因的抑制不明显。
3. 染色体位置。 外源基因在受体动物细胞染色体上整合部位的基因环境对外源基因表达的影响很大。
4. 甲基化。被转移的基因容易甲基化而失活。
外源基因在受体细胞中的表达方式表现为组织特异性和发育阶段特异性。组织特异性表达是由于某些调节元件如启动子和增强子的作用造成的。比如，免疫球蛋白基因只在 B 细胞中表达，原因是免疫球蛋白基因的启动子只存在于 B 淋巴细胞内，这是一类只在专一细胞中表达的启动子；另有一类可在多种组织细胞中表达的启动子，比如，人生长激素基因分别在肝与肾、淋巴器官和肌肉中表达。发育阶段特异性表达是指转基因在个体发育中的表达具有严格的时空特性，受到精细的调控。