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转基因动物研究进展

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动物医学进展。2008,29(7):59—62 Progress in Veterinary Medicine 转基因动物研究进展 张 贺,王承利 ,王 洋 (沈阳军区总医院医学动物实验科,辽宁沈阳110016) 摘要:转基因动物技术是将已知的外源基因导入动物细胞并整合到基因组中,从而使其得以表达的技 术。此技术将分子、细胞和个体水平统一起来,标志着基因工程已由离体操作发展到离体与载体相结合的新 阶段。目前,转基因动物的制作方法主要有反转录病毒感染法、显微注射法、胚胎干细胞法和精子载体法等, 每种方法都有其优缺点。转基因动物技术主要应用在人类疾病模型、生物反应器、异体器官移植和改良动物 品种与性状等方面。同时转基因动物技术也存在一些技术难题和安全性问题,但发展前景被普遍看好。 关键词:转基因动物;疾病模型;生物反应器;异种移植 中图分类号:Q789 文献标识码:A 文章编号:1007—5O38(2008)O7—0059一O4 随着重组DNA技术的迅猛发展,转基因动物 因整合到受体基因组中。具体方法是在动物早期胚 技术的研究取得了一系列可喜的进展与成果。从最 胎的培养液中加入载体病毒或把胚胎放人培养病毒 初阶段的细菌基因工程逐步发展到转基因细胞,直 细胞中培养,还可以把载体病毒注入囊胚腔获得转 至产生转基因动物。1982年,Palmiter R D等[1]成 基因动物。也可直接将胚胎与能释放逆转录病毒的 功地将大鼠生长激素基因转入小鼠受精卵,获得的 单层培养细胞共育以达到感染目的。其优点是方法 转基因小鼠的体重远远大于普通正常小鼠,被称为 简单,不受胚胎发育阶段的影响,而且外源基因多位 “超级小鼠”(super mice),显示了转基因动物技术人 点,单拷贝整合效率高,特别适用于转基因家禽的生 为改造物种或生物性状的可能性,激发了此技术持 产;缺点是所携带的外源基因片段的长度受,一 续深入研究的热潮。 般不能超过10 kb L2]。 转基因动物(transgenic anima1)是指在基因组 1.2显微注射法 内稳定地整合以实验方法导人的外源基因,且外源 显微注射法是制作转基因动物应用最广、效果 基因能稳定地遗传给后代的遗传工程动物。该技术 最好的方法[3]。此方法是将在体外构建的目的基因 通过基因重组等各种方法人为地改造动物基因组, 在显微操作仪下用极细的微吸管直接注射到处于原 并在动物活体水平上研究有关基因的结构和功能, 核时期的受精卵的原核中,当受体受精卵在进行 为从分子到个体多层次、多方位地研究基因提供了 DNA合成或修复时,把外源基因整合到基因组中。 新的方法和思路。这种突出的优越性使转基因动物 其优点是可以把不同长度的重组DNA片段注入原 具有广泛的应用潜能。目前,转基因动物成为生命 核,转基因阳性动物能有效地表达外源基因,是获得 科学研究和开发的重要领域,并逐渐成为一类极具 转基因动物最可靠的方法。但这项技术有许多制约 发展前景的高新技术产业。 因素,最主要的是DNA只能增加,不能删除或 1转基因动物的研究方法 在某个位点修饰,而且外源DNA是随机整合的,由 转基因技术开始于20世纪80年代,其常用的 于整合位点的影响导致基因表达不稳定,随机整合 研究方法有以下几种。 也可能破坏基本内源基因序列或激活致癌基因,这 1.1逆转录病毒感染法 两种因素都会对动物健康产生有害影响。最后,注 外源基因被插入逆转录病毒的基因组中,制成 射法生产转基因动物一般是嵌合体,整合基因并非 高浓度病毒颗粒,通过病毒感染寄主细胞,把外源基 在所有细胞中表达。 收稿日期:2008—03-26 基金项目:全军医学科学技术研究。十一五”计划(O6MBO53) 作者简介:张贺(1981一),男,辽宁辽阳人,医师,硕士,主要从事实验动物研究。*通讯作者 维普资讯 http://www.cqvip.com

60 1.3胚胎干细胞法 动物医学进展2008年第29卷第7期(总第179期) 自然突变的机会极少,人工诱变的方法也不容易定 胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细胞)是 来的多能细胞系[1 ]。当ES被注入囊胚后可参与 包括生殖腺在内的各种组织嵌合体的形成。通常利 向地控制其突变的位点和方式。而用转基因动物的 究的一个极为有效的途径。目前,在这方面已有不 少成功的例子,简介如下。 从早期胚胎的内细胞团经体外抑制分化培养建立起 方法生产人类遗传疾病模型则成为人类遗传疾病研 用一定方法如脂质体介导、电击或反转录病毒感染 等 一,把外源基因导入干细胞中,将有功能的转入基 因整合到ES细胞基因组内的非必需基因位点上, 经筛选、培养,而后用于生产转基因动物[4]。 其优点是可对转化的干细胞进行阳性选择,提 高了转基因效率。随着家畜核移植技术的发展,可 把阳性干细胞的核移入去核卵母细胞中,进一步提 高转基因效率。由于家畜干细胞系没有完全建立, 目前它的应用受到,但这个方法应用前景看好。 1.4精子载体法 利用精子作为外源基因的载体来建立转基因动 物十分令人注目。其方法是将成熟的精子与外源 DNA进行预培养后,使精子有能力携带外源DNA 进入卵中,使之受精,并使外源DNA整合到染色体 中。此项技术在实际应用中虽存在许多问题,但至 少在构思上对大型动物的转基因研究具有非常重要 的意义[6]。其优点是利用精子的自然属性克服人为 机械操作给胚胎造成的损伤,整合率高,小鼠、家兔 达3O 以上,成本低;缺点是结果不稳定。目前方 法体系虽然还未完全建立,但它是有发展前途的方 法,可以与体外受精、早期胚胎阳性选择和胚胎超低 温保存技术相结合,使转基因技术更加实用化。 1.5体细胞核移植技术 有学者[7]认为转基因动物克隆技术将有望成为 21世纪创建遗传工程动物的主导技术。转基因技 术与动物克隆技术结合,可大大提高效率,它是以动 物体细胞为受体导入外源基因,再以这些体细胞作 为核供体,进行动物克隆。转基因动物克隆的制作 以克隆技术作为基础,体细胞克隆绵羊、山羊、奶牛 等相继获得了成功,使得以转基因体细胞为核供体 制作克隆动物成为现实。 2转基因动物的应用 2.1在人类疾病模型方面的应用 转基因动物在人类遗传疾病的研究中具有重要 的应用价值,被认为是遗传学研究中继连锁分析、体 细胞遗传和基因克隆技术之后的技术。现代 医学研究证明,人类的大多数疾病都与遗传有关 ]。 适当的动物模型对研究基因突变而引起遗传疾病的 发病机制是十分有效的。过去,制造这种动物模型 的途径只能靠自然突变或人工诱变的方法。但是, 2.1.1遗传性疾病的动物模型 转基因动物为遗 传研究提供了理想的动物模型,如镰状红细胞贫血 发病机制的研究,Mathew J T等[g]建立的人血红蛋 白俘键突变基因小鼠,出现了镰状红细胞贫血病人 同样的红细胞形态改变。此外,对高胆固醇血症、囊 性纤维化等疾病都构建了相应的转基因小鼠的模 型,为研究发病机制及基因治疗创造了前所未有的 条件。 2.1.2病毒性疾病的动物模型 由于某些病毒在 一般动物体不易感染,很难建立所需要的动物模型, 而转基因动物则提供了解决的办法,如乙型肝炎病 毒(HBV)动物模型的建立。Glebe D等[1叩在食蟹、 熊猴中发现HBV表现抗体,将其用于HBV的动物 模型研究,Babiner C等[1t]建立的HBV转基因小鼠 为探讨HBV的致病机制提供了有用的动物模型, 使人们对HBV的致病机理有了进一步的认识;同 时也为HBV的治疗提供了早期实验对象,并可进 一步做药效评价。 2.1.3老年性疾病的研究 以老年性痴呆症为例, 病人脑部组织都有大量的老年斑,是淀粉样肽,一种 淀粉样糖蛋白的代谢产物,因此,淀粉样肽被认为是 老年性痴呆症的致病因子之一。Robersori E D 等[1。 构建的转基因小鼠除了在脑组织中形成老年 斑结构外,其学习和记忆功能也明显减退,这些转基 因动物模型为进一步研究老年性痴呆的病理、诊断、 治疗及相关药物开发提供了有效手段。 2.2利用转基因动物作为生物反应器 利用转基因动物生产目的基因产物是转基因动 物应用的又一重要领域。将外源基因转入动物,获 得转基因动物,从动物的乳汁或血液中获得目的产 物,代替传统上用的发酵罐。通过基因工程技术可 以不断地提高转基因动物基因表达水平,从而使基 因产物的产量获得不断提高,成本将大大降低,获得 可观的经济效益和社会效益。 在动物体中,选择乳腺作为外源基因的器官是 科学界的一致意见,用来生产基因药物或工业用酶 的工厂,故又称为动物生物反应器。有人把转基因 家畜比作“分子农场”,这是一种全新的生产模式。 乳腺生物反应器可以解决规模化生产,成本低,经济 周期短,而且泌乳是动物的一种生理活动,对动物健 维普资讯 http://www.cqvip.com 张 贺等:转基因动物研究进展 61 康没有影响,加之乳腺摄取、合成、分泌蛋白质的能 力很强,并且能对重组蛋白质进行多种翻译后加工, 提高动物个体的生长速度、改良家畜的生产品质和 增强抗逆、抵御疾病的能力方面。 同时能将重组蛋白质折叠成有功能的构象,具有稳 定的生物活性等优越性,因此乳腺成为公认的生产 羊和猪生产出一些贵重的药用蛋白,诸如Ix1-抗胰蛋 白酶、乳铁蛋白、人血清蛋白、人凝血因子Ⅸ、人凝血 早在1982年,Palmiter R D等[1]就用转基因技 术将用小鼠金属硫蛋白基因启动子与大鼠生长激素 重组蛋白质的理想器官。现已经应用转基因牛、绵 基因构建的融合基因转入到小鼠体内,创造了整合 并表达大鼠生长激素的转基因“超级鼠”,其目标就 在于试图培育生长速度快的动物品种。 因子Ⅷ、抗一凝血酶Ⅲ、胶原、血纤维蛋白原、蛋白质 通过克隆特定病毒基因组中的某些编码片段, C和组织血纤维溶酶原激活子等。 2.3利用转基因动物生产人体的器官 可供移植的人体器官缺乏一直是困扰医学界的 难题。异种器官移植有可能成为解决移植器官短缺 的最有效的途径。目前最有希望成为人类器官移植 的供体动物是猪,因为其器官在大小、结构和功能上 与人体器官相近;猪易于繁殖,供应量大,而且费用 低廉,产业化的前景甚为乐观。然而,要想实现这一 目标,首先必须解决的难题是器官移植时出现的超 急排斥反应(hyperacute rejection,HAR),因此克服 这一障碍便成为异种器官移植成功的关键。 转基因动物技术的应用为解决这一难题开辟了 一条崭新的途径。目前,在这方面的研究主要集中 在以下几个方面:将人的补体调节蛋白因子基因通 过转基因技术转入到转基因动物品系或细胞系,使 这种能够调节或抵制补体反应的人补体蛋白在将要 作为器官供体的动物器官内起作用,从而在器官移 植后降低或消除补体反应。目前已经生产出了初步 具有这种特性的转基因猪;与基因治疗相结合的方 法,将基因治疗用于异种移植研究是为永久性解决 移植排斥反应而进行的新尝试。Conti B等 借鉴 同种骨髓移植中创建细胞嵌合体的经验,通过转基 因技术构建了受体细胞的“分子嵌合体”。他们将编 码Ix(1,3)GT cDNA的逆转录病毒载体转染a(1,3) GT基因敲除了的GTO小鼠的骨髓细胞,体外培养 回收后再将细胞移植给a(1,3)GT基因敲除了的小 鼠,最后获得含有a(1,3)GT基因的分子嵌合体小 鼠。移植后9周~1O周的检测结果显示,GTO小鼠 血清中有IXGalXNA复合物存在;而分子嵌合体小 鼠血清中检测不到结合猪细胞的抗体,表明这种分 子嵌合体小鼠猪的细胞不产生排斥反应。这就为生 产可供人类移植用的异种器官开辟了一条很有希望 的途径。 2.4利用转基因改良动物品种及其生产性能 传统育种只能在同种或亲缘关系很近的物种之 间进行,且自发性突变作为选种的前提,其发生机率 相当低。转基因技术则克服上述问题成功地应用在 对之加以一定的修饰后转入畜禽基因组,如果转基 因在宿主基因组中能得以表达,那么畜禽对该种病 毒的感染应具有一定的抵抗能力,或者能够减轻该 种病毒侵染时为机体带来的危害。美国农业部家畜 研究所将A型囊膜基因转入鸡,获得了抗A型白血 病病毒的转基因鸡。如果这种鸡用于产业化,每年 可以使美国养鸡业减少损失几亿元。此外,在羊毛 产量的提高、牛奶营养成分的改善及动物抗病性的 提高等方面,转基因技术也有很好的表现[1引。 3转基因动物存在的问题 转基因动物研究主要面临两个方面的问题,一 是研究过程中存在的困难,二是安全性问题。 3。1转基因动物研究中存在的问题 3.1.1 制作转基因动物的效率极低是制约此技术广 泛应用的关键从总体上看,实验动物转基因的阳性 率高于大家畜。统计资料表明,小鼠转基因阳性率为 2.6 ,大鼠为4.4 ,兔为1.5 ,牛为0.7%,猪为 0.9 ,绵羊为O.9 。造成这种现象的主要原因可能 与显微操作过程中的胚胎受到损伤有关。 3.1.2 转基因在宿主基因组中的行为难以控制转基 因在插入宿主基因组的过程中可能导致内源基因的 破坏或失活,也可能激活原本处于关闭状态的基因 (尤其是癌基因)。其结果将导致转基因阳性个体出 现不育、胚胎死亡、四肢畸形等异常。 3.1.3多数转基因表达的水平低 大部分转基因 (尤其是cDNA)表达水平很低,几乎难以检测到,但 个别基因表达又过高。Wright G等[15]于1991年生 产的转ha-AT的绵羊,其中一只转基因羊产羔后乳 汁中ha-AT的水平高达6O g/L,外源基因的这种 高水平表达是宿主动物难以承受的。 3.1.4基因整合的机制尚不清楚人们对动物许 多重要基因的结构和功能以及表达的机制尚不 完全清楚,就目前转基因动物技术而言,成功的随机 性很大,有待于从机制上予以突破。所以,深入了解 动物基因的结构、功能和表达的机制,是开展转 基因动物研究的基础和前提。然而,令人遗憾的是 人们对动物许多重要基因的结构和功能却知之甚 维普资讯 http://www.cqvip.com 62 动物医学进展2008年第29卷第7期(总第179期) 少,这是深入开展转基因动物研究的主要障碍之一。 Z47. 3.2转基因动物的安全性问题 [3]Zermann D H,Doggweiler W R.Central autonomic innervation of the kidney.What can we learn from a transneuronal tracing 转基因动物在给人类带来诸多好处的同时,也 study in an animal model[J].J Urol,2005,17(3)l 1033— 有许多安全性问题,主要包括:①具有某些优势性状 1038. 的转基因动物可能会对生态平衡及物种的多样性产 [4]Kennedy J A,Barabe F,Armando G,et a1.Comment on turn— 生不良影响;②转基因动物器官移植可能会增加“人 or growth need not be driven by rare cancer sterm cells[J]. Science,2007,318:1722-1731. 兽共患”病的传播机会;③用转基因动物生产的食物 [5]Chalberg T W,Vankov A,Molnar F E,et a1.Gene transfer to 有可能使食用者发生过敏反应;④转基因动物的研 rabbit retina with electron avalanche transfection[J].Invest 究还将会引发一系列社会伦理问题。为了确保转基 Ophthalmol Vis Sci,2006.47:4083—4090. [6]Schnieke A K,Kind A J,Ritchie W A,et a1.Human factor IX 因动物对人体的安全性,在大规模生产之前必须对 transgenic sheep produced by transfer of nuclei from transfect- 转基因动物进行严格的生物安全检测。 ed fetal fihrohlasts[J].Science,1997,278(19)。2130-2333. 虽然转基因动物至今还没有真正进入产业化和 [7]Cheng D H,Kymes S,Petrash J M,et a1.A transgenic mouse model for human autosomal dominant cataract[J].Invest Oph— 市场化,但随着理论上和技术上不断完善,转基因动 thalmol Vis Sci,2006,47:2036—2044. 物及其相关产品必将会对人们的健康和社会发展产 [8]wieland s F,Muller R,Vega R G,et a1.Scarching for inter- 生巨大的影响。 feron induced genes that inhibit hepatitis B virus replication in 4 展望 transgenic mouse hepatocytes[J].J Virol,2003.77(2)l 1227— 1236. 从目前的发展趋势可以看出,转基因动物的研 [9]Mathew J T,Toshitaka Y,Yusu G,et a1.Prion-induced amy— 究和应用将是21世纪生物工程技术领域最活跃、最 loid heard disease with high blood infectivity in transgenic mice 具有实践应用价值的内容之一。目前,转基因动物 [J].Science,2006,313 l 94—97. [1O]Glebe D,Aliakbari M,Krass P,et a1.Pr ̄sl antigen dependent 的应用主要在医药方面,而在食品工业中的应用尚 infection of tupaia hepatocyte cultures with hums hepatitis B 受到较大的制约,其根本原因是转基因动物的开发 virus[J].J Virol,2003,77(7)l 9511—952. 投入很大,而成功率比较低。尽管如此,还是初步显 [11]Babinet C,Farza H,Morello D,et a1.Specific expression of 示出了它在工业、农业及医学等行业中的巨大应用 hepatitis B surface antigen(HBsAg)in transgenic mice[J]. cSience,1985,4730(230):116O一1165. 潜力和发展前景,给人类将带来巨大的经济效益,推 [12]Roberson E D,Kimberly S L,Jorge J,et a1.Redueing en— 动社会向前发展。而相关法规的出台,无疑会加速 dogenous Tau Ameliorates amyloid induced defidtsin an 和正确引导基因工程产品的研究和开发。相信在不 Alzheimer’s disease mouse model[J].Science,2007,316 l 750—754. 久的将来,转基因动物生产将会成为生产行业中的 [13]Conti B.Manuel S A,Sommerer R W.et a1.Transgenic mice 一种新兴产业。因此,充分利用转基因技术的潜在 with a reduced core body temperature have an increased lire 价值,实现转基因技术实用化、商业化、转基因动物 span[J].Science.2006.314:825—828. 的产业化,是21世纪生物科学工作者努力的目标。 [14]Koen J T,He Y C,Roger A,et a1.A BAC transgenic plat— form for targeted insertion of large DNA fragments in D. 参考文献: melanogaster[J].Science.2006,314{1747—1751. [1]Palmiter R D.Sandgren E P,Avarbock M R,et a1.Heterolo— [15]Wright G。Carver V,Cotton D,et a1.High level expression of gous introns can enhance expression of transgene in mice[J]. active human alpha一1一antitrypsin in the milk of transgenic Proc Natl Acad Sci USA,1991。88(2):478—482. sheep[J].Biotechnology,1991.(9):830—834. [2]刘谦.朱鑫泉.生物安全[M].北京:科学出版社,2001:246一 Progress on Transgenic Animals ZHANG He,WANG Cheng-li。WANG Yang (Department ofLaboratory Animal in the General Hospital of Shenyang Military Region,Shenyang,Liaoning.110016,China) Abstract:Transgenic animal technique means the expression of the exogenous gene in the zooblast that in— tegrates with genome.This technique offers the connection of molecule,cell and individua1.It show that genetic engineering arrows a new stage which is from vitro to vlvo.The methods of transgenic animal pro— duction mainly contain retrovirus infection,microiniection,embryonic stem cell and sperm vector,etc. Every method has its own advantage and disadvantage.Transgenic animal technique has been mainly used in many areas,such as human disease model,bioreactor,xenotransplantation and improving breed variety and character.Otherwise,this technique also has some troubles and security problems.but its exploitation perspectives are promising in such profitable aspects. Key words:transgenic animal;disease model;bioreactor;xenotransplantation 

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