基因捕获技术及其最新进展

基因捕获技术是目前最具应用前景的基因克隆方法之一。利用该技术建立的随机插入突变的突变体文库,可用于寻找、鉴定和研究大量末知功能和已知功能的活化基因,它是继自然突变、物理突变和化学突变之后发展起来的新的分子生物学方法。基因捕获载体是带有报告基因和/或选择标记基因的不完整的基因表达载体;这些载体所带的基因只有在整合到宿主功能基因内部且与融合的宿主基因编码框一致时才能得以表达。经典的基因捕获载体有：增强子捕获载体、基因捕获载体和启动子捕获载体。增强子载体只有一个最小化的启动子控制下游报告基因的表达活性。只有当启动子上游存在一个增强子时才能启动其下游基因的转录：而单独依靠这个启动了则不能转录。狭义的基因捕获载体是指插入到结构基因内部从而捕获该基因的载体,分为内含子捕获载体和外显了捕获载体。前者插入内含子,因此需要在无启动子的报告基因前面添加一个splice acceptor（SA）位点：后者插入外显子,因此不需SA位点就能产生融合蛋白mRNA。启动子捕获载体由一个无启动子的报告基因和选择标记基因组成,只有在捕状载体捕入到内源基因的外显子中,且两阅读框一致的时候才会有报告基因和被捕获的内源基因上游编码区的融合蛋白的表达。利用某些遗传元件的遗传特性也可以构建非常有用的捕获载体。常用的有：逆转录病毒介导的捕抉载体和转座子介导的捕荻载体等等。该文较为全面地概括了转座子介导的捕获载体的用途和研究现状。比如：在拟南芥中应用Ac／Ds转座子元件,存果蝇中应用P-element和piggyBac转座元件,在斑马鱼中应用T012转座了元件,在脊椎动物研究中应用Tc1/meriner转座了超家族,以及存哺乳动物和小鼠ES细胞中应用piggyBac转座子元件。还列举了设计新颖的载体优化策略,比如：发展新的选择标记基因,利用内源核糖体识别／结合位点（IRES）,去掉起始密码子和加一小段接头（1inker）等方法。最后介绍了几种针特定实验目的而设计的捕获载体。附录部分还列出了关于基因捕获技术的网络资源。     

基因敲除技术现状及应用

功能基因组学的研究进展使基因敲除技术显得尤为重要。基因敲除技术从载体构建到细胞的筛选到动物模型的建立各方面都得到了发展。其中Cre—LoxP系统可以有效的控制打靶的发育阶段和组织类型,实现特定基因在特定时间和（或）空间的功能研究;转座子系统易于操作,所需时间短,具有高通量的特点,可以携带多种抗性标记,方便了同时进行多基因功能研究;基因捕获技术提供了获得基因敲除小鼠的高效方法,方便了进行小鼠基因组文库的研究。此外,进退策略、双置换法、标记和交换法、重组酶介导的盒子交换法也从不同方向发展了基因敲除技术。     

嘌呤霉素抗性基因捕获载体的构建及在细胞中的功能验证

目的构建具有嘌呤霉素抗性基因捕获载体,扩大基因捕获载体的应用范围。方法用经改造的捕获载体（gene trapping vector）稳定转染HepG2．2．15肝癌细胞系,经嘌呤霉素筛选,制作单克隆细胞株。用PCR方法验证该载体的在细胞染色体中的整合,ELISA方法证明捕获载体捕获基因后的细胞的功能改变。结果嘌呤霉素抗性基因捕获载体整合在HepG2．2．15肝癌细胞的染色体上,并能影响细胞HBsAg和HBeAg的分泌。结论新构建的嘌呤霉素抗性基因捕获载体能在具有G418抗性的细胞中捕获有意义的目的基因。     

DNA重组酶Cre介导载体间基因的重组转移

DNA重组酶Cre可以识别LoxP位点,使含有LoxP位点的DNA分子发生重组:2个同向LoxP之间的DNA片段被删除,2个环状DNA分子被整合为一个大分子.基于Cre酶的这些作用特性,构建了一套载体间基因的重组转移体系,在Cre酶的作用下,gfp基因被从基因供体pTLG上切除下来,然后转移到基因受体pET-LoxP上,从而快速、简便地完成了gfp基因高效表达载体pET-gfp的构建.gfp基因在大肠杆菌BL21(DE3)中被诱导表达,使菌落产生了可视的绿色荧光.通过对荧光菌落的计数分析,比较了环状基因供体pTLG和线性基因供体pTLG对有效重组率的影响.使繁琐的传统载体构建变为简单的酶促反应,极大地简化了载体构建步骤,为Cre酶在基因克隆和亚克隆中的应用提供了很好的研究基础.     

Smad2条件基因剔除载体的构建及LoxP位点有效性鉴定

Smads家族是最新发现的TGF－β信号转导途径中一个重要的新基因家族,SMAD2属于受体激活的SMADs。Smad2在某些肿瘤中发生突变,是一种可能的肿瘤抑制基因。Smad2基因完全剔除小鼠在胚胎期E6．5天死亡,为了研究Smad2在成体各组织器官及肿瘤发生中的可能作用,构建了Smad2条件基因剔除载体,将LoxP置于Smad2基因组序列C末端功能域两侧,并在组成型表达Cre重组酶的大肠杆菌中检测了LoxP位点的功能,该载体的构建为进行Smad2组织特异性基因剔除研究了奠定了基础。     

AZI基因被捕获的鉴定实验

目的 确立基因捕获细胞中被捕获的基因名称. 方法 Southern印迹确定合适的限制性内切酶,用质粒拯救（plasmid rescue）获得含有细胞染色体DNA的质粒,测序.结果 本次实验中,被捕获载体整合的基因是AZI基因. 结论质粒拯救方法能确立质粒整合细胞染色体上准确的位置.     

Cre/LoxP重组系统的改造及在树干毕赤酵母中的应用

为了实现在P.stipitis中进行无痕基因敲除,以Cre/LoxP系统为研究对象,首先通过同源重组构建尿嘧啶营养缺陷型树干毕赤酵母(ura3-);同时通过定点突变pSH47-Hpt质粒的hpt基因和cre基因,将CDS区CTG突变为TTG;最后以乙醛脱氢酶基因为靶基因,验证突变后的Cre/LoxP系统在P.stipitis进行无痕基因敲除的可行性。结果表明:本文在P.stipitis中成功使用潮霉素B抗性标记,经过修饰后的Cre/LoxP敲除系统能够在P.stipitis中无痕敲除目的基因,为后续研究P.stipitis功能基因和改造代谢途径提供了一种试验方法和筛选标记。     

小鼠新基因Ayu17-449的克隆及表达分析

在利用PU8捕获载体从小鼠ES细胞中寻找有关对发育起重要作用基因时,一阳性ES克隆编号为Ayu17-449被捕获,经过Southern blotting法证实捕获载体单一整合在Ayu17-449号ES细胞的基因组中。通过用5＇RACE法得到所捕获基因的一小段cDNA,在EST数据库中比对,得到一5523bp cDNA序列,在Celera数据库中它包含于两个相邻基因,根据这两个基因的mRNA设立了一系列的引物进行RT-PCR和测序,用这两个基因的不同片段分别作探针进行Northern blotting分析,确定这是一个RNA约9kb并编码1920个氨基酸的新基因（定名为Ayu17-449基因,其cDNA序列和编码蛋白序列发表在NCBI数据库,编号为DQ079067）。Northern blotting揭示Ayu17-449基因高度表达在小鼠的脑、肾脏、心脏、肺、肌肉和胃等组织。PU8捕获载体具有X-gal报告基因,能从蛋白表达水平揭示它所捕获的基因的表达模式。X-gal染色结果显示,Ayu17-449蛋白高度表达在小鼠的脑、肾脏、心脏等组织,与Northern blotting法的结果高度一致。X-gal染色切片结果进一步证明Ayu17-449蛋白主要表达在脑的神经细胞和肾脏近曲小管细胞中。Ayu17-449基因的编码蛋白在数据库（Scansite,http：//scansite．mit．edu/）做功能基团分析后,揭示其编码蛋白的N末端含有Granin基团,大量文献证实Granin基团具有参与激素的分泌的功能,显示Ayu17-449基因可能与激素的分泌有关。     

改良型痘苗病毒安卡拉株表达系统可删除筛选标记的双表达穿梭载体

为了构建改良型痘苗病毒安卡拉株表达系统可删除筛选标记的双表达穿梭载体,利用Cre/LoxP DNA重组系统以及本实验室表达Cre酶的BHK-21细胞系 (BHK-Cre),以大肠杆菌黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 (Eco gpt) 为筛选标记构建可删除筛选标记的双表达穿梭载体pLR-gpt。将Eco gpt 基因以及调控其表达的启动子基因置于2个同向的LoxP位点之间,2个独立的多克隆位点位于2个LoxP位点之外,最终获得的重组病毒可以在BHK-Cre细胞系上删除筛选标记Eco gpt。为了验证系统的有效     

GPR126条件性基因敲除载体的快速构建

基因敲除小鼠模型是在动物体内研究基因功能的重要和可靠的手段之一,而构建用于同源重组的基因敲除载体是构建基因敲除小鼠模型的关键一步.条件性基因敲除技术将针对靶基因的修饰作用限制在小鼠的特定发育时期或特定类型的组织细胞中,通过加入具有位点特异性的重组系统,该修饰作用在时间和空间上均处于可调控的状态;条件性基因敲除技术既可以避免某些具有重要功能基因的敲除所带来的早期胚胎致死问题,还可用于精确分析某些多效基因在不同组织或不同发育阶段的特定功能差异.通过合理利用改良的Red重组系统,将两个LoxP位点快速准确地插入到了目标位置,实现了GPR126条件性基因敲除载体的快速构建,为后续的构建GPR126基因敲除小鼠模型、在动物体内研究基因的功能奠定了基础.     

利用基因捕获技术建立稳定表达HBV的细胞模型

pGEM-HBV1.3质粒经HindIII限制性内切酶消化,将HBV1.3全长DNA切下,与同样经HindIII限制性内切酶降解过的PU21连接,得到PU21-HBV重组质粒。将该重组质粒采用电击转染方法导入HepG2细胞中,G418筛选阳性克隆并以X-gal染色,RT-PCR、Southern blot等方法验证HBV DNA的插入和表达。 PU21-HBV重组质粒经测序证明HBV1.3全长DNA正确与PU21载体连接,该重组质粒转染HepG2细胞后经G418筛选,得到一系列阳性克隆, Southern blot证实HepG2细胞基因组中含HBV DNA,RT-PCR结果表明HBV DNA在HepG2细胞中有功能基因的转录。HBV1.3已被整合在HepG2细胞染色体中并能稳定表达其RNA。稳定的HBV表达细胞模型构建成功。HBV表达细胞模型的建立,为进一步研究相关基因对HBV的转录、复制、转录后调节以及HBV各种蛋白的表达机理研究提供实验材料。     

Cre重组酶表达载体的构建及其在转基因小鼠胰腺中的表达

组织特异性表达Cre重组酶的转基因小鼠是进行组织特异性条件敲除研究的关键。采用PCR扩增大鼠胰岛素基因705bp启动子指导发胰岛细胞中特异表达;同时采用改构的Cre重组酶基因,在其5'端添加有真核核糖体结合序列和核定位序列使Cre重组酶能穿越核膜在细胞核能发挥功能;同时,为了保证原核基因Cre能在真核系统顺利表达,在其3'端添加含内含子的人生长激素基因。构建的表达载体在去除原核序列后用显微注射方法转基因小鼠,在出生的27只仔鼠中,PCR检测共获得7只Cre整合阳性的转基因小鼠,整合率26％。这种Cre转基因小鼠与基因组小携带LoxP位点的条件基因打靶小鼠交配,在胰腺组织中可以检测到Cre介导的重组,表明Cre在转基因小鼠胰腺中有表达。     

Establishment of Smad2 conditional gene targeting mice based on the Cre-LoxP system

Smads is a new gene family in transforming growth factor-β (TGF- β signaling pathway. Smad2 mutated in multiple human tumors and may be a candidate tumor suppressor gene. Targeted disruption of murine Smad2 gene resulted in embryonic lethality at E6.5. To study the function of Smad2 in vertebrate organgenesis and tumorigenesis, we constructed the Smad2 conditional targeting vector in which two LoxP sequences were placed to flank the sequences encoding the C terminal functional domain of Smad2. The validity of the LoxP sites in the targeting construct was tested in E. coli that express the Cre recombinase constitutively. The vector was electropo-rated into ES cells and 3 targeted ES cell clones were obtained by Southern blot screening. Targeted ES cells were introduced into C57BL/6J blastocysts by microinjection to generate germ-line chimeras. Genotyping analysis showed that 2 progeny among these chimeras carried the Smad2 conditional targeted allele. The establishment of Smad2 conditional gene targetin     

双筛选标记打靶载体的构建及其功能鉴定

利用DNA同源重组方法(基因打靶)对动物基因组进行修饰是转基因研究的重要手段之一。为了构建一个高效的通用型基因打靶载体,本研究以pBS246质粒为骨架,在两个LoxP序列之间插入正筛选标记新霉素磷酸转移酶(neo)基因和绿色荧光蛋白(EGFP)基因;在两个LoxP序列外侧分别插入两组携带"8碱基"酶切位点的多克隆位点序列(MCS-1和MCS-2)和负筛选标记单纯疱疹病毒胸苷激酶(HSV-tk)基因,构建成通用型基因打靶载体pGT-V1,并且在C2C12细胞中验证了载体中各个元件的功能。该载体具有如下特点:1)在载体中引入绿色荧光标记,可以实时监控载体的转染效率,而转染效率的提高为高效基因打靶提供了保证;2)在两个LoxP位点间插入绿色荧光标记,可以直观监测打靶后遗留的筛选标记的去除情况,并且可以通过流式细胞仪或免疫磁珠法,将最终去除了筛选标记的阳性细胞(即丢失绿色荧光的细胞)分选出来,降低筛选标记在中靶细胞中可能产生的负面影响;3)采用"8碱基"酶切位点的MCS序列,便于DNA大片段的连接和重组,极大提高了该载体的通用性。总之,该载体优化了基因打靶的技术手段,为有效开展基因打靶和转基因动物研究提供了新平台。     

Characterization of an exchangeable gene trap using pU-17 carrying a stop codon-beta geo cassette

We have developed a new exchangeable gene trap vector, pU-17, carrying the intron-lox71-splicing acceptor (SA)-beta geo-loxP-pA-lox2272-pSP73-lox511. The SA contains three stop codons in-frame with the ATG of beta galactosidase/neomycin-resistance fusion gene (beta geo) that can function in promoter trapping. We found that the trap vector was highly selective for integrations in the introns adjacent to the exon containing the start codon. Furthermore, by using the Cre-mutant lox system, we successfully replaced the beta geo gene with the enhanced green fluorescent protein (EGFP) gene, established mouse lines with the replaced clones, removed the selection marker gene by mating with Flp-deleter mice, and confirmed that the replaced EGFP gene was expressed in the same pattern as the beta geo gene. Thus, using this pU-17 trap vector, we can initially carry out random mutagenesis, and then convert it to a gain-of-function mutation by replacing the beta geo gene with any gene of interest to be expressed under the control of the trapped promoter through Cre-mediated recombination.     

Non‐parallel recombination limits cre‐loxP‐based reporters as precise indicators of conditional genetic manipulation

Cre/LoxP‐mediated recombination allows for conditional gene activation or inactivation. When combined with an independent lineage‐tracing reporter allele, this technique traces the lineage of presumptive genetically modified Cre‐expressing cells. Several studies have suggested that floxed alleles have differential sensitivities to Cre‐mediated recombination, which raises concerns regarding utilization of Cre‐reporters to monitor recombination of other floxed loci of interest. Here, we directly investigate the recombination correlation, at cellular resolution, between several floxed alleles induced by Cre‐expressing mouse lines. The recombination correlation between different reporter alleles varied greatly in otherwise genetically identical cell types. The chromosomal location of floxed alleles, distance between LoxP sites, sequences flanking the LoxP sites, and the level of Cre activity per cell all likely contribute to observed variations in recombination correlation. These findings directly demonstrate that, due to non‐parallel recombination events, commonly available Cre reporter mice cannot be reliably utilized, in all cases, to trace cells that have DNA recombination in independent‐target floxed alleles, and that careful validation of recombination correlations are required for proper interpretation of studies designed to trace the lineage of genetically modified populations, especially in mosaic situations. genesis 51:436–442. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.