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Transgenic Animal 北京大学医学部免疫学系 Course for postgraduates 转基因动物 转基因与转基因动物 转基因动物是指用实验的方法 将外源基因导入早期胚胎细胞， 使之整合于细胞基因组中而建立 的动物品系。整合的外源基因称 为转基因(transgene) 早期胚胎-单细胞期受精卵 • 受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成 一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称 为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧 失其分化潜能。从全能性到多能性，再到单能 性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。 转基因技术与基因功能的研究 转基因动物技术建立以前研究基因 的功能是将外源基因导入原核细胞或 真核细胞来进行。 但基因在离体单个细胞中的功能并 不一定能代表基因在整体中的功能。 因为在一个复杂的动物个体中，众多 的基因彼此之间在功能上并不是孤立 的，而是相互关联、相互影响的。而 且一个基因在单一细胞中的表达究竟 会对整个机体的生理功能产生什么作 用也必须在整体水平上来研究。 从 60 年代开始生命科学研究人 员就试图找到一种恰当的方法， 将特定的基因导入发育中的哺乳 动物体内，以便研究基因的功能 及调控规律。到70年代中期，几 种将外源基因导入早期哺乳动物 胚胎的方法逐步建立起来，从而 为建立转基因小鼠奠定了基础。 超级小鼠 suppermouse 一、转基因小鼠技术的发 展史 转基因小鼠技术兴起于60年 代，至80年代中期逐渐成熟。其 中关键的技术是实现外源基因的 导入及整合，这一技术的发展到 目前已经历了四个阶段。 第一阶段：实现外源基因的导入。 1974年， Jaenisch等用显微注射法将SV40 的DNA导入到小鼠的囊胚(blastocyst)中， 在子代小鼠的肝、肾组织中检测到了SV40的 DNA。这一结果证明将外源基因导入胚胎细胞 中并实现整合是可能的。 以后相继有人用同样的方法实现了外源基 因向小鼠受精卵中的转移并能遗传给后代。在 基因转移的方法上相继出现了逆转录病毒载体 法、电脉冲法等。 外源基因的整合方式 这一阶段转基因技术的 共同特点是导入的外源基 因是随机整合的。这种随 机整合的外源基因可能是 单拷贝的，也可能是多拷 贝的。 外源基因的整合可能会产生 以下几种结果： 1.能够有效地表达而不影响动物的发育以 及正常的生理功能。 2.不能有效表达，整合入动物细胞基因组 中的外源基因无功能。 3.外源基因的整合导致动物细胞正常基因 的失活或激活癌基因，这样动物则不能正 常生长、发育。 • 问题： 如何避免不理想的结果？ 第二阶段：转基因 与内源基因同源重组。 1987 年，美国北卡罗莱纳大学 Smithies 和犹他大学 Capecchi领导的研究小组根据同源重组的原理，实现了导 入的外源基因的定点整合，这一技术亦称为“基因打靶 ” (gene targeting). 基因打靶技术的应用，一方面可以使导 入的外源基因定点整合于人们希望整合的部位，从而避免 了外源基因随机整合对内源基因的影响。另一方面，人们 还可以利用基因打靶技术定点灭活一个内源基因，亦称为“ 基因敲除”(gene knockout)。因此基因打靶技术为在整体水 平研究某一基因的功能以及进行基因治疗开辟了新的途径。 问题： 基因的整合有没有组织特异性？ 基因打靶技术 基因打靶技术常被用于灭活单个基 因。这种基因“敲除”试验已经阐明了胚 胎发育、成人生理学、衰老和疾病中无 数个基因的角色。目前已经有一万多个 小鼠基因被敲除(大约为哺乳动物的基 因组的一半)。正在进行的国际性研究 很快将能够实现所有小鼠基因的敲除。 人类疾病小鼠模型 有了基因打靶技术，现在已经能够产 生小鼠基因组中几乎所有类型的DNA重 组。科学家由此可以确定单个基因在健 康和疾病中的角色。基因打靶技术已经 产生了500多个不同的人类疾病小鼠模型， 包括心血管疾病和神经退化类疾病、糖 尿病和癌症等。 美国北卡罗来纳州大学教会山分 校医学院教授Oliver Smithies 英国卡迪夫大学卡迪夫生命科学 学院Martin J. Evans Mario Capecchi和Oliver Smithies一致认为，同源重组能 够用来修正哺乳动物细胞中特定 的基因。他们也一直朝着这个目 标不懈努力。 Capecchi证明了，哺乳动物细胞中染色体与 导入DNA之间能发生同源重组现象，通过同源 重组，有缺陷基因可用导入DNA进行修正。 Smithies最初想设法修补人类细胞中的变异 基因。他认为，通过改正骨髓干细胞中致病的 变异，某