一般PCR方法簡單快捷,但由於其高度敏感,DNA樣品的微量汙染便可導致假陽性,因此PCR陽性的樣品常通過Southern雜交重新檢測。
七、轉基因動物的建係及命名
首建轉基因動物確定後,即用之交配繁殖,以建立轉基因鼠係,大部分首建者的下一代50%含外源基因,20%為嵌合體,還有一部分不育。若首建者為近交係產生,可用相同種係交配,以維持其遺傳背景,首建者來源於非近交係,則可用F1動物與首建者交配繁殖。
轉基因動物的名稱一般包括:構建轉基因動物的方法、外源基因的特性及構建實驗室等信息。
形式如下:TgX(YYYY)#####Z z z。
Tg 是Transgene 的宿寫,X 代表DNA的插入方式(一般用N表示非同源插入,H代表同源重組,R代表逆轉錄病毒感染);YYYY 是插入序列指示,一般由8個以內字符表示,(如Ins1鼠胰島素基因)已命名的基因序列要采用標準基因符號(命名時可查基因數據庫);#####實驗室指定的序號,轉基因動物被證實後,實驗室指定的獨特號碼,至多可用5個字符(數字);Z z z 實驗室密碼,指定給每個製備轉基因動物實驗室的代號。轉基因動物遺傳背景為單一品係的,還要在轉基因符號前加上動物品係名稱。如:C57BL/6J-TgN(GPDH)23Jwg表示GPDH(人甘油磷酸鹽脫氫酶)基因非同源插入C57BL/6J小鼠染色體內,由Jon W·Gordon實驗室篩選出的第23號動物。
八、轉基因動物研究出現的問題
1.製作轉基因動物效率極低這是目前幾乎所有從事轉基因動物研究的實驗室都麵臨的問題,也是製約這項技術廣泛應用的關鍵。總體上講,實驗動物轉基因陽性率高於大家畜。以顯微注射法產生轉基因動物為例,一則統計資料表明,小鼠轉基因陽性率為2.6%,大鼠為4.4%,兔為1.5%,牛為0.7%,豬為0.9%,綿羊為0.9%。在這個問題上我們認為顯微注射造成胚胎的機械損傷導致胚胎死亡是其中一個極其重要的原因。
2.外源基因在宿主基因組中的行為難以控製轉基因隨機整合於動物的基因組中,很有可能引起宿主細胞染色體的插入突變,還可造成插入位點的基因片段的丟失及插入位點的基因的位移,同時也可能激活正常情況下處於關閉的基因。其結果導致轉基因陽性個體出現不育、胚胎死亡、流產、畸形等異常現象。
3.轉基因表達水平低,而極少部分轉基因表達水平過高許多轉基因的表達水平受到宿主染色體上整合位點的影響,往往出現異位表達,影響轉基因的表達能力,從而使大部分轉基因表達水平較低,極少部分表達水平過高。大部分轉基因(尤其是cDNA)表達水平低得難以檢測,而個別轉基因的表達水平又太高。如Wright等製作的轉ha1-AT基因綿羊,其中一隻轉基因羊在產羔後泌乳時,乳汁中ha1-AT的水平高達60g/L,泌乳中期乳汁的ha1-AT水平仍維持在35g/L,外源基因的這種高水平表達是宿主動物難以承受的。
4.陽性轉基因動物篩選不易由於大動物的妊娠期較長,所育子代數目有限,所以給篩選帶來很大的困難。現在,一般采用PCR法和Southern雜交法對含有外源DNA的受精卵進行整合率的檢測。
5.一些環境和社會安全問題通過人工對生物甚至人的基因進行相互轉移,轉基因生物已經突破了傳統的界、門的概念,具有普通物種不具備的優勢特征,通過基因漂移,會破壞野生近緣種的遺傳多樣性。另外,對人體健康也有威脅和影響,如轉入的生長激素類基因就有可能對人體生長發育產生重大影響。為了預防和控製轉基因生物可能產生的不利影響,聯合國於2000年通過了《卡塔赫納生物安全議定書》。
九、轉基因動物的應用
1.在病毒性疾病研究中的應用主要有以下幾個方麵:將病毒的全基因組DNA導入小鼠基因組,這種小鼠不僅具有表達病毒蛋白的能力,還能進行病毒DNA複製。目前已製備成功的有AIDS病毒、乙型肝炎病毒和人白細胞白血病Ⅰ型病毒的小鼠模型。它們在發病機製的探討和治療藥物的篩選等方麵具有重要價值。另外,轉基因技術還能使人們更詳細地了解和剖析病毒的某些調控元件或單一基因的功能,為病毒性疾病的研究提供了廣闊的前景。
2.在遺傳病學研究中的應用轉基因動物在遺傳學中具有重要作用,采用轉基因技術,可以人為定向地改變小鼠基因組中的某個特定基因,也可以人為地加入一個或多個外源基因。主要用於建立遺傳病動物模型,研究單個基因在遺傳病中的作用。還可以研究藥物幹預後動物的反應機製等。目前用於遺傳病研究的轉基因動物模型主要有家族性高膽固醇血症、鐮刀狀細胞貧血、囊性纖維化及腺苷脫氨酶缺乏症等。
3.在免疫學研究中的應用轉基因動物技術對於探索免疫潛能細胞的發生和體內調節是一非常有用的工具,免疫球蛋白基因在轉基因鼠中可被表達,充分顯示了轉基因技術在富含特定抗體的B細胞種群研究中的作用。此外,轉基因動物技術在免疫球蛋白的多樣性,即免疫球蛋白基因的重排方麵具有獨特的優點,是其他任何實驗方法所不及的。
4.基因治療是通過改變患者遺傳物質從而達到治療疾病的一種方法。轉基因動物的發現,可能使人類在同疾病的鬥爭中獲得一種新的武器。改變患者細胞遺傳物質的主要途徑有:①引入功能正常的基因;②置換致病基因;③修飾致病基因。基因治療的方式包括體細胞的基因治療和生殖細胞的基因治療2種。前者不能根治疾病,後者在生物發育的胚胎期開始對其遺傳物質進行修飾,從而達到校正和治療的目的。這種技術目前未用於人類,但已廣泛應用於動物疾病的基因治療,包括生殖係統、心血管疾病、肌營養不良等。如有一種近親繁殖的侏儒小鼠,體內缺乏生長激素,已經通過受精卵注射技術使這種基因缺陷得到糾正,恢複了它們的正常生長。
5.在改良和培育動物新品種方麵的應用人類早就應用物種選擇方法培育動植物新品種,但這種經典的育種方法常受到限製,隨著轉基因動物的出現,人們意識到通過體外重組代表優良性狀的基因新品種方麵的巨大潛力。改良的目的是增加動物新的遺傳品質,如瘦肉率、高生長率、抗病力等。現已采用該技術培育出許多動物新品種。如美國培育的轉基因鯉魚可增產20%~40%,並已進行室外放養。我國應用轉基因技術已培育出個體大的金魚、鯉魚等。
6.基因產品的製備轉基因動物為基因產品的大量製備提供了新的手段,這種轉基因動物又稱為動物生物反應器,其原理是將具有生物活性的蛋白的基因導入動物的受精卵或早期胚胎內,培養成轉基因動物,使外源基因在動物體中高效表達,然後再分離提取目的基因產物。目前,用轉基因動物生產外源基因產品多數尚屬試驗階段,一些具有重要的醫學價值的生物活性蛋白如幹擾素、牛乳清蛋白、尿激酶等已用轉基因動物生產,為大規模生產提供了寶貴的經驗。如在轉基因山羊中生產溶纖維蛋白原激活因子,隻要培養出3000頭,即可供應全世界心髒病人使用,如用奶牛表達,幾十頭即可。
綜上所述,轉基因技術的應用已從實驗室走向社會,相信在不久的將來,轉基因動物將更好地為人類造福。
第三節 克隆動物與克隆技術的應用
克隆是從英文“clone”音譯而來,在生物學領域有3個不同層次的含義。①在分子水平,克隆一般指DNA克隆(也叫分子克隆),含義是將某一特定DNA片段通過重組DNA技術插入到一個載體(如質粒和病毒等)中,然後在宿主細胞中進行自我複製所得到的大量完全相同的該DNA片段的“群體”。②在細胞水平,克隆實質為由一個單一的共同祖先細胞分裂所形成的一個細胞群體,其中每個細胞的基因都相同,比如,使一個細胞在體外的培養液中分裂若幹代所形成的一個遺傳背景完全相同的細胞集體即為一個細胞克隆;又如,在脊椎動物體內,當有外源物(如細菌或病毒)侵入時,會通過免疫反應產生特異的識別抗體,產生該抗體的所有漿細胞都是由一個B細胞分裂而成,這樣的一個漿細胞群體也是一個細胞克隆。細胞克隆是一種低級的生殖方式——無性繁殖,即不經過兩性結合,子代和親代具有相同的遺傳性,生物進化的層次越低,越有可能采取這種繁殖方式。③在個體水平,克隆是指由基因型完全相同的2個或更多的個體組成的一個群體。比如,2個同卵雙胞胎即為一個克隆,因為他(她)們來自同一個卵細胞,所以遺傳背景完全一樣。另外,克隆也可以作動詞用,意思是指獲得DNA、細胞或個體群體的過程。克隆動物,就是指通過無性繁殖以及由無性繁殖形成的基因型完全相同的後代個體組成的群體。如用未分化的胚胎細胞進行核移植稱為胚胎細胞克隆(embryoniccillcloning);用已分化的體細胞(即非生殖細胞)進行核移植稱為體細胞克隆(somaticcellcloning)。無性繁殖不需要經過受精過程,這在植物中很常見,例如,將某些植物(柳樹、馬鈴薯)的某一部分(根、莖)切成幾塊或幾段,分別栽到土壤中,每一段或塊在適當條件下均能長成為一個完整個體。而在高等動物,這簡直是不可想像的,直到誕生了那隻轟動世界的克隆綿羊“多莉”(Dolly)。克隆的基本過程是先將含有遺傳物質的供體細胞的核移植到去除了細胞核的卵細胞中,利用微電流刺激等使兩者融合為一體,然後促使這一新細胞分裂繁殖發育成胚胎。當胚胎發育到一定程度後,再被植入動物子宮中使動物懷孕,便可產下與提供細胞者基因相同的動物。這一過程中如果對供體細胞進行基因改造,那麼無性繁殖的動物後代基因就會發生相同的變化。
哺乳動物的體細胞以及生殖原細胞一般含有成對數目的染色體稱為二倍體。生殖原細胞先經有絲分裂增殖形成生殖細胞,再經過減數分裂形成配子(精子和卵子),配子細胞的染色體隻是體細胞的一半,稱為單倍體。單倍體的精子和卵子結合(即受精),重新成為二倍體的受精卵(合子),才能繼續發育,這種繁殖方式稱為“有性繁殖”,它是自然界高等動、植物最基本的遺傳和繁殖方式。
一、克隆動物的發展概況
(一)克隆動物的發展史
早在1934年人們對單細胞有機體克隆已取得成功。1938年,德國科學家Spemman提出了將胚胎細胞核移植到去核卵母細胞中的構想。1952年,英國的Briggs和King利用蛙原腸胚以前的細胞核與去核蛙卵構建的重構胚克隆獲得了成蛙;同時,他們還發現其原腸以後的細胞隻能支持重構胚發育到一定程度,並據此認為胚胎細胞發育的能力,會隨著胚胎的發育逐步下降。1962年,英國劍橋大學的Gurdon將已分化的蝌蚪腸上皮細胞核移植到去核蛙卵,結果產生了具有生殖能力的蛙,證明蝌蚪的體細胞仍具有發育的全能性。以後,各國科學家對克隆動物做了大量的研究,主要經曆了以下3個階段。
1.胚胎細胞克隆階段1981年,lllmensee和Hoppe報道他們用小鼠的正常囊胚或孤雌活化囊胚的內細胞團細胞作為供核體,直接注入去掉雌雄原核的受精卵胞質中,重構胚體外發育到桑葚胚或囊胚後移植寄母子宮,獲得了克隆小鼠,這是在哺乳類動物第一次用胚胎細胞進行核移植獲得成功,但別的實驗室一直無法重複此項實驗。1983年,美國科學家利用核移植技術,結合細胞融合方法獲得了克隆小鼠,此項工作真正拉開了哺乳動物克隆的序幕。1986年,英國的Willadsen用綿羊的8~16細胞階段的胚胎細胞作供體進行核移植,首次應用電融合的方法克隆出一隻小羊。此後,其他科學家也相繼成功地克隆出小鼠、綿羊、牛、兔、豬和猴等。我國科學家也在20世紀90年代成功開展了胚胎細胞克隆兔、山羊、小鼠、牛和豬等研究。以上這些克隆實驗中所用供核細胞均屬發育至不同階段的胚胎細胞。
2.同種體細胞克隆階段1997年2月,英國羅斯林研究所Wilmut等人宣布他們用6歲成年羊的高度分化的乳腺細胞進行了核移植,成功地獲得了克隆羊“多莉”。這是第一次用成年體細胞作為供核細胞,是生物技術史上具有劃時代意義的重大突破,是克隆技術的一個裏程碑,也改寫了部分生物學的理論。1998年5月,美國科學家Robl的研究組利用胎仔成纖維細胞克隆出了3頭牛,而且攜帶了轉移的基因。1998年7月,日本科學家Dato等用牛的輸卵管細胞克隆出了8頭小牛。1999年6月,Yanagimachi的研究小組利用成年雄性小鼠尾尖的成纖維細胞為供核體細胞,成功地克隆出了一隻雄性小鼠,這也是第一隻供核體細胞不是來源於雌性動物被克隆的動物。此後,同種體細胞克隆山羊、豬、貓和兔也都相繼誕生。我國在體細胞克隆山羊和克隆牛的研究中,不論雌的還是雄的也都已獲得成功。同種體細胞克隆所用供核體細胞,一般為高度分化的體細胞。