转座子Sleeping Beauty和PiggyBac

近10年来,得益于转座子Sleeping Beauty(SB)和PiggyBac(PB)的发现和完善,转座子作为一种遗传工程工具在脊椎动物的基因遗传研究中得到广泛应用.SB和PB宿主范围极其广泛,从单细胞生物到哺乳动物都能够发挥作用.转座过程需要转座序列和转座酶的存在,类似于"剪切"、"粘贴"的方式.转座子载体系统转座时可携带一段外源DNA序列,利用这一特性可以用于实现目的基因的转移,现已广泛用于转基因动物、基因功能研究、基因治疗等领域.当转座系统与基因捕获技术相结合,不仅可研究插入突变基因的功能,还能通过所携带的报告基因获得捕获基因的表达图谱.作为非病毒载体的SB和PB转座系统,由于具有高容量、高效率和高安全性等优势,并且PB在转座后不留任何足迹,不会造成遗传物质的不可预测改变,在动物基因工程以及基因治疗方面具有诱人的前景.     

piggyBac转座系统的功能改进及在哺乳动物中的应用

piggyBac (PB)转座系统具有转座效率高、删除精确、半随机插入和携带片段较大等优点。但是作为一种转基因实验的工具,特别是在哺乳动物个体水平的转基因方面,还需要提高其转基因效率,并降低外源基因随机插入对内源基因破坏的风险。近年来的研究结果显示,PB转座系统得到了进一步改进：采用PB转座酶与DNA特异性结合蛋白融合而构成的融合型转座酶,表现出外源片段有插入到染色体靶向位点的倾向;采用突变体筛选的方法提高了PB转座酶的活性,获得了只具有切除活性而没有插入活性的新型PB转座酶;采用PB转座系统与细菌人工染色体(Bacterial artificial chromosomes, BAC)载体联合使携带的外源片段长度提高到了207 kb。改进后的PB转座系统在基因组研究、基因治疗、诱导多能干细胞(Induced pluripotent stem cells, iPSCs)诱导及其分化方面发挥了较大的作用。文章对PB转座系统的最新研究进展和应用前景进行了综述。     

转座子PiggyBac在哺乳动物中的应用

DNA转座子作为一种遗传工程工具已广泛应用于多物种的转基因及产生插入突变等研究。目前,在哺乳动物中有转座活性的转座子可分为三类：1）hAT样转座子;2）Tcl样转座子包括Sleeping Beauty和FrogPrince;3）PiggyBac转座子家族。其中甘蓝蠖度尺蛾（Cabbage looper moth Trichoplusia ni）来源的PiggyBac转座子是目前在哺乳动物中活性最高的转座子,并且可以携带十几kb的外源基因转座而不影响其效率,使其在哺乳动物的转基因、癌基因的发现、基因治疗研究方面具有巨大的应用潜力。此外,PB的无痕迹转座对于无转基因、无遗传物质改变的诱导多潜能干细胞（iPS）研究也具有非常重要的意义。本文主要对针对PB在哺乳动物中的应用现状及前景作一介绍。     

重组杆状病毒：一种新型哺乳动物细胞基因转移载体

昆虫杆状病毒表达载体系统已广泛应用于表达重组蛋白。近年来研究显示,含有哺乳动物细胞启动子元件的重组杆状病毒可有效地转导多种哺乳动物原代和传代细胞。借助于杆状病毒载体,已成功实现了外源基因在哺乳动物细胞内的瞬时或稳定表达;而在体内,杆状病毒可被血清中的补体成份所灭活,从而抑制了转导效率,但是通过对杆状病毒进行修饰（如伪型杆状病毒）,可以抵抗补体的灭活作用。研究人员对杆状病毒转导机制进行了探索,但是至今尚未完全弄清。杆状病毒基因转移系统最大特点是,杆状病毒能在昆虫细胞内大量繁殖,而不能在哺乳动物细胞内复制,因而具有很高的生物安全性;同时,此系统还具有操作简便、插入外源基因容量大等优点,使得杆状病毒作为哺乳动物细胞的基因传递载体,具有广泛的应用前景。     

杆状病毒介导外源基因在哺乳动物细胞中表达的研究进展

杆状病毒(Baculovirus)是一种以昆虫为唯一宿主的病毒, 可用做生物杀虫剂或作为表达载体在昆虫细胞中大量表达外源蛋白, 制备疫苗。研究发现, 在哺乳动物细胞中携带哺乳动物启动子的重组杆状病毒能启动下游外源基因的表达但病毒不能在哺乳动物细胞中增值, 对细胞毒性小, 转导成功的细胞可以稳定传代并有效表达外源基因, 哺乳动物细胞比昆虫细胞对蛋白质具有更好的翻译后修饰, 表达出的蛋白结构更接近天然蛋白。因此, 杆状病毒可作为一种新型的哺乳动物细胞基因转移载体, 用于表达外源基因及作为一种基因治疗载体, 具有巨大潜力, 日益受到人们的关注。本文对杆状病毒作为一种表达载体在哺乳动物细胞中表达的研究进展进行了综述。     

昆虫杆状病毒应用于哺乳动物基因治疗的研究进展

杆状病毒是一类宿主特异性的昆虫病毒。昆虫杆状病毒表达系统是一个高效的真核表达系统,被广泛用于在昆虫细胞或昆虫幼虫中生产外源蛋白质。杆状病毒不能感染哺乳动物,却可以进入不同物种和组织来源的多种哺乳动物细胞,并在合适的哺乳动物启动子控制下表达外源基因。杆状病毒在哺乳动物细胞中不能复制,对细胞没有毒性,加上杆状病毒本身具有基因组大、可操作性好等优点,作为哺乳动物基因治疗的载体,将治疗基因传递给哺乳动物细胞已受到了广泛关注。在此就杆状病毒作为基因治疗载体的最新研究进展进行了阐述并探讨其发展趋势。     

口蹄疫病毒样颗粒诱导表达型载体的构建及其BHK-21细胞池的筛获

瞬时表达是目前利用哺乳动物细胞表达口蹄疫病毒(foot-and-mouth disease virus, FMDV)衣壳蛋白的主流方法。为实现染色体稳定表达FMDV衣壳蛋白并高效组装出病毒样颗粒(virus like particles, VLPs)，本研究构建了piggyBac (PB)转座-组成型表达、PB转座-四环素(tetracycline, Tet)诱导型表达两套质粒。利用荧光蛋白标记技术，验证了质粒的功能。通过抗生素筛选得到了组成型表达P12A3C (WT/L127P)基因的BHK-21细胞池(C-WT、C-L127P)和诱导型表达P12A3C (WT/L127P)基因的BHK-21细胞池(I-WT、I-L127P)。荧光观察和PCR检测证明了绿色荧光蛋白、3C蛋白酶、反向四环素转录激活因子等基因的稳定整合。Western blotting、酶联免疫吸附法(enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)实验证明了细胞池I-L127P具有更强的衣壳蛋白和VLPs生产能力。本研究首次实现了哺乳动物细胞染色体诱导表达FMDV衣壳蛋白，有助于推动哺乳动物生产FMDV VLPs疫苗的技术工艺，也为构建其他蛋白的哺乳动物细胞诱导型表达系统提供了参考。     

一种包含转座子Sleeping Beauty和PiggyBac的新型多功能载体的构建

DNA转座子作为一种遗传学工具对脊椎动物的转基因、突变体产生、癌基因发现和基因治疗方面都有巨大的贡献. 目前,哺乳动物中应用最为广泛、活性最高的DNA转座子为重构于鲑鱼的Sleeping Beauty (SB)转座子和来源于甘蓝蠖度尺蛾 (cabbage looper moth Trichoplusia ni)的PiggyBac (PB)转座子. 本研究中,我们成功构建了包含PB和SB两种转座子的杂合转座载体,命名为PBSBD. 在杂合转座载体中融入了基因捕获框及loxp/Frt元件,用以实现转座过程中的基因捕获和条件性敲除. 在HepG2细胞中通过检测报告基因的表达情况及阳性克隆的定位,对构建的杂合转座载体PBSBD进行了活性的初步验证. 结果表明,PBSBD能够有效被2种转座酶识别,并能检测到报告基因的表达. 本研究所构建的杂合转座载体PBSBD结合2种转座酶,可以应用于大规模筛选突变基因和研究基因功能. 并且该杂合转座载体还可以利用SB转座酶的邻近转座特性,结合载体内所包含的loxp/Frt元件用以邻近区域DNA片段的条件性敲除,研究大片段DNA在生物体中的作用.     

新型二合一PiggyBac转座系统的构建及功能验证*

目的:PiggyBac(PB)转座子是一种可移动的遗传元件,采用“剪切和粘贴”机制在载体和染色体之间进行转座;通过将转座子元件和转座酶表达框整合到一个表达载体中,构建简便易用的二合一PB转座系统。方法:通过聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)获取PiggyBac转座系统所需转座子元件和转座酶表达框,利用T4 DNA连接酶将转座酶表达框插入到pUC18载体上,再利用Gibson同源重组技术将转座子元件与重组载体结合构建二合一PB转座系统;使用该系统携带的增强型绿色荧光蛋白(enhanced green fluorescent protein,EGFP)以及功能性损伤抑制蛋白(damage-suppressing protein,DSUP)检测其有效性及可靠性。结果:在所有筛选获得的嘌呤霉素抗性细胞中,EGFP都是明亮可见;利用此二合一PB转座系统成功获得了可高效表达功能性损伤抑制蛋白的稳定细胞系,证明外源基因可被有效整合到基因组DNA中并表达。结论:成功构建了新型二合一PB转座系统,使稳定表达细胞系的建立更加经济简便。     

杆状病毒用于哺乳动物细胞快速高效表达外源基因的研究

现已发现杆状病毒可进入某些培养的哺乳动物细胞,这提示可将杆状病毒作为一种对哺乳动物细胞的新型基因转移载体。对杆状病毒转移载体的改造及对哺乳动物细胞的基因转移方式进行了进一步的研究。以绿色荧光蛋白基因为报告基因,利用Bac-to-Bac系统构建了分别含有正向和反向CMV启动子表达盒的两种重组杆状病毒。可观察到CMV启动子在Sf9细胞中可启动报告基因的表达,但表达效率较低。用重组杆状病毒感染后Sf9细胞的培养上清直接与HepG2细胞作用,以流式细胞术检测基因转移效率及荧光表达强度,发现这两种病毒在相同的感染复数下对HepG2细胞具有相似的基因转移及表达效率。同时,利用流式细胞术进一步研究了直接使用重组杆状病毒感染4d后Sf9细胞的培养上清对哺乳动物细胞进行基因转移的方法。通过对HepG2细胞的实验结果显示,将带毒Sf9细胞培养上清(1.2×10⁷PFU/mL)用哺乳动物细胞培养基1倍稀释后,37℃下孵育靶细胞12h(moi=50),可达到较高的基因转移及表达效率,同时不会对细胞造成明显损伤。将重组杆状病毒与脂质体和逆转录病毒这两种系统对HepG2及CV1细胞的基因转移效率进行了比较,结果发现在同样未经浓缩等特殊处理的条件下重组杆状病毒对这两种细胞的基因转移效率是最高的。因此可以认为,经过适当改造后的Bac-to-Bac重组杆状病毒系统可作为一种对哺乳动物细胞简便高效的基因转移表达载体。     

PiggyBac transposon-mediated gene transfer in Cashmere goat fetal fibroblast cells

PiggyBac (PB) has recently been found to be functional in various organisms. To verify and exploit its application in the cashmere goat, a PB transposon system including donor and helper vector of was developed, in which the EGFP gene in donor of vector was used as reporter. Cashmere goat fetal fibroblasts cells (GFFs) were transfected with the PB transposon system and the efficiency of gene transfer was determined. Compared with random integration, PB-mediated EGFP expression levels increased 7.78-fold in the GFFs, confirming that the PB transposon system constructed successfully mediated efficient foreign gene integration in the GFFs. To further investigate the characteristics of PB-mediated integration instance, PB integration site distribution in the goat genome was examined. The results showed that PB had a preference for AT rich regions of the goat genome. Thus this study confirms the function of PB transposon in GFFs and provides a potential genetic tool for producing transgenic goats.     

piggyBac转座子在牛基因组的整合位点及特征分析

piggyBac(PB)转座子作为一种遗传工具被广泛应用于多个物种的转基因及插入突变研究, 目前PB转座子在牛中的相关研究还较少。为了获得PB转座子在牛基因组中的整合位点, 总结其转座特征, 文章构建了PB[CMV-EGFP]和pcDNA-PBase二元转座系统, 利用细胞核电转技术共转染牛耳组织成纤维细胞, 经G-418筛选, 获得了稳定转染EGFP的转基因细胞系; 提取细胞基因组DNA, 利用基因组步移技术扩增PB转座子5′ Bac区插入位置的DNA序列; 通过与牛基因组序列进行BLAST比对, 得到PB转座子在牛基因组中的插入位点。文章共获得了8个有效的整合位点, 但仅有5个位点定位到染色体1、2、11和X染色体上。序列分析表明：在牛基因组中, PB转座子可特异性的插入到“TTAA”位置, 并整合到基因间的非调控区; 分析整合位点“TTAA”相邻一侧的5个碱基组成, 发现PB转座子5′端倾向于插入到GC(62.5%)碱基富集区。该研究表明, PB转座子可以在牛基因组中发生转座, 获得的整合位点信息为利用PB转座子在牛上开展遗传学研究提供了理论参考。     

Evaluating the potential for undesired genomic effects of the piggyBac transposon system in human cells

Non-viral transposons have been used successfully for genetic modification of clinically relevant cells including embryonic stem, induced pluripotent stem, hematopoietic stem and primary human T cell types. However, there has been limited evaluation of undesired genomic effects when using transposons for human genome modification. The prevalence of piggyBac(PB)-like terminal repeat (TR) elements in the human genome raises concerns. We evaluated if there were undesired genomic effects of the PB transposon system to modify human cells. Expression of the transposase alone revealed no mobilization of endogenous PB-like sequences in the human genome and no increase in DNA double-strand breaks. The use of PB in a plasmid containing both transposase and transposon greatly increased the probability of transposase integration; however, using transposon and transposase from separate vectors circumvented this. Placing a eGFP transgene within transposon vector backbone allowed isolation of cells free from vector backbone DNA. We confirmed observable directional promoter activity within the 5′TR element of PB but found no significant enhancer effects from the transposon DNA sequence. Long-term culture of primary human cells modified with eGFP-transposons revealed no selective growth advantage of transposon-harboring cells. PB represents a promising vector system for genetic modification of human cells with limited undesired genomic effects.     

Using a modified piggyBac transposon-combined Cre/loxP system to produce selectable reporter-free transgenic bovine mammary epithelial cells for somatic cell nuclear transfer

Transposon systems are widely used for genetic engineering in various model organisms. PiggyBac (PB) has recently been confirmed to have highly efficient transposition in the mouse germ line and mammalian cell lines. In this study, we used a modified PB transposon system mediated by PB transposase (PBase) mRNA carrying the human lactoferrin gene driven by bovine β-casein promoter to transfect bovine mammary epithelial cells (BMECs), and the selectable reporter in two stable transgenic BMEC clones was removed using cell-permeant Cre recombinase. These reporter-free transgenic BMECs were used as donor cells for somatic cell nuclear transfer (SCNT) and exhibited a competence of SCNT embryos similar to stable transgenic BMECs and nontransgenic BMECs. The comprehensive information from this study provided a modified approach using an altered PB transposon system mediated by PBase mRNA in vitro and combined with the Cre/loxP system to produce transgenic and selectable reporter-free donor nuclei for SCNT. Consequently, the production of safe bovine mammary bioreactors can be promoted.