浅谈“基因敲除”

来源:用户上传      作者: 吕 飞

　　摘要　鉴于近年来基因敲除频繁地出现在高中生物教材和试题中，又基于基因敲除与基因工程的联系以及基因敲除的广泛的应用价值，对基因敲除作了简单的探讨。
　　关键词　基因敲除　基因工程　转基因技术
　　中图分类号　Q-49
　　文献标识码　E
　　
　　科学界曾预言，21世纪是一个基因工程世纪。所谓基因工程(转基因技术)，又称基因拼接技术或DNA重组技术，诞生于20世纪70年代，是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达。“基因敲除”是在20世纪80年代悄然诞生并发展起来的一项重要的分子生物学技术，字面上看与转基因相反，认为转基因技术是导入某个基因，而基因敲除是切除某个基因，实质上并不是如此简单，很大程度上，基因敲除和转基因技术有相似性，转基因技术的原理是基因重组，而基因敲除主要也是应用DNA同源重组原理。
　　
　　1　“基因敲除”在高中生物教材中的出现
　　
　　浙科版教材，选修三《现代生物科技专题》一书的第52页中第二段第二行，出现了“基因敲除”四个字，书本原话：“胚胎干细胞可以进行基因敲除，获得基因敲除动物，如用基因敲除手段可以获得适合人体移植的猪器官，减弱或消除排斥反应。”
　　
　　2　基因敲除的概述及方法
　　
　　2.1基因敲除概述
　　基因敲除自20世纪80年代末发展起来，是建立在基因同源重组技术基础以及胚胎干细胞技术基础上的一种定点修饰基因组的新型分子生物学技术，是通过一定的途径使机体特定的基因失活或缺失的技术，其与体细胞核移植技术的成功结合，已经成为一种有效的定点修饰、改造大动物基因组DNA片段的实验策略。或者说基因敲除就是通过同源重组将外源基因定点整合入靶细胞基因组上某一确定的位点，以达到定点修饰、改造染色体上某一基因的目的的一种技术。它克服了随机整合的盲目性和偶然性，是一种理想的修饰、改造生物遗传物质的方法。20世纪80年代初，胚胎干细胞(ES细胞)分离和体外培养试验的成功奠定了基因敲除的技术基础。1985年，首次证实的哺乳动物细胞中同源重组的存在奠定了基因敲除的理论基础。1987年，Thompson首次建立了完整的ES细胞基因敲除的小鼠模型。此后的几年中，基因敲除技术得到了进一步的发展和完善。
　　简单的说基因敲除是指将目标基因从基因组中删除。举一个简单的例子：比如有一段“序列”：“1234567890”(原基因)，敲除后为“1237890”，一般一个敲除载体还会在其中插入一段外源基因，如“ABC”，则新的基因为“123ABC7890”，或者不插入基因直接连接，则为“1237890”。
　　通常意义上的基因敲除主要是应用DNA同源重组原理，用设计的同源片段替代靶基因片段，从而达到基因敲除的目的。随着基因敲除技术的发展，除了同源重组外，新的原理和技术也逐渐被应用，比较成功的有基因的插入突变和RNAi，它们同样可以达到基因敲除的目的。在基因敲除技术中涉及到的变异类型有：基因重组、基因突变、人工诱变。
　　
　　2.2实现基因敲除的多种原理和方法
　　利用基因同源重组进行基因敲除。此方法依然是构建基因敲除动物模型中最普遍的使用方法。第一步是构建基因载体；第二步是获得Es细胞(同源的胚胎干细胞)；第三步是同源重组，将重组载体通过一定的方式(电穿孔法或显微注射)导入Es细胞中，使外源DNA与胚胎干细胞基因组中相应部分发生同源重组，将重组载体中的DNA序列整合到内源基因组中。从而得以表达。一般地，显微注射命中率较高，但技术难度较大，电穿孔命中率比显微注射低，但便于使用。
　　利用随机插入突变进行基因敲除。此法利用某些能随机插入基因序列的病毒，细菌或其他基因载体，在目标细胞基因组中进行随机插入突变，建立一个携带随机插入突变的细胞库，然后通过相应的标记进行筛选获得相应的基因敲除细胞。
　　RNAi引起的基因敲除。由于少量的双链RNA就能阻断基因的表达，并且这种效应可以传递到子代细胞中，所以RNAi的反应过程也可以用于基因敲除。近年来，越来越多的基因敲除采用了RNAi这种更为简便的方法。
　　
　　3　基因敲除技术的应用及前景
　　
　　3.1建立生物模型
　　模型生物的建立在基因功能、代谢途径等研究中非常重要。基因敲除技术就常常用于建立某种特定基因缺失的生物模型，从而进行相关的研究。这些模型可以是细胞，也可以是完整的动植物或微生物个体，最常见的是小鼠、家兔、猪、线虫、酵母和拟南芥等。
　　
　　3.2疾病的分子机理研究和疾病的基因治疗
　　通过基因敲除技术可以确定特定基因的性质以及研究它对机体的影响。这无论是对了解疾病的根源或者是寻找基因治疗的靶目标都有重大的意义。目前基因敲除技术在Ⅱ型糖尿病研究和在肾素一血管紧张素系统研究中有了普遍和深入的应用。
　　
　　3.3提供廉价的异种移植器官
　　众所周知，器官来源稀少往往是人体器官移植的一大制约因素，而大量廉价的异种生物如猪等的器官却不能用于人体。这是因为异源生物的基因会产生一些能引起人体强烈免疫排斥的异源分子，如果能将产生这些异源分子的基因敲除，那么动物的器官将能用于人体的疾病治疗，这将为患者带来巨大的福音。如：PPL Therapeutics公司于1999年成功地在猪的体细胞中用基因敲除技术敲除了α-1，3GT基因。使每只猪都缺乏产生α1－3半乳糖基转移酶基因的2个拷贝。这些酶在细胞表面产生一种糖分子，人体的免疫系统可以立即辨认出这种糖分子为异源性，从而引发超急性免疫排斥反应。在缺乏这种酶的情况下，超急性排斥反应则不会再发生。
　　
　　3.4免疫学中的应用
　　同异源器官移植相似，异源的抗体用于人体时或多或少会有一定的免疫排斥，使得人用抗体类药物的生产和应用受阻。而如果将动物免疫分子基因敲除，换以人的相应基因，那么将产生人的抗体，从而解决人用异源抗体的生产问题。
　　
　　3.5改造生物、培育新的生物品种
　　细菌的基因工程技术是本世纪分子生物学史上的一个重大突破，而基因敲除技术则可能是遗传工程中的另一重大飞跃。它为定向改造生物，培育新型生物提供了重要的技术支持。
　　
　　3.6微生物代谢工程方面的应用
　　利用基因敲除技术可阻断细胞的代谢旁路，或通过引入突变位点改变目的产物的产量或质量而达到调节代谢流，优化代谢途径的目的。
　　
　　4　基因敲除技术的缺陷
　　
　　随着基因敲除技术的发展，早期技术中的许多不足和缺陷都已经解决，但基因敲除技术始终存在着一个难以克服的缺点，即敲掉一个基因并不一定就能获知该基因的功能，其原因包括：一方面，许多基因在功能上是冗余的，敲掉一个在功能上冗余的基因，并不能造成容易识别的表型，因为基因家族的其他成员可以提供同样的功能；另一方面，对于某些必需基因，敲除后会造成细胞的死亡，也就无法对这些必需基因进行相应的研究。
　　基因敲除技术的诞生可以说是分子生物学技术上继转基因技术后的又一革命。尤其是条件性、诱导性基因打靶系统的建立，使得对基因靶位时间和空间上的操作更加明确，效果更加精确、可靠，它的发展将为发育生物学、分子遗传学、免疫学及医学等学科提供一个全新的、强有力的研究和治疗手段，具有广泛的应用前景和商业价值。

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