小鼠基因功能研究及疾病模型系列专题(三)——条件型基因剔除小鼠表型鉴定的基本方法

<正>在建立基因剔除小鼠前,虽然我们可以用细胞生物学、生物化学及基因表达谱的分析来预测特定基因的功能,但实际得到基因剔除小鼠的表型常常和预测的差距非常大,特别是可能得到胚胎致死的表型。因此,在欧盟的小鼠基因剔除计划中,提出了所有的小鼠基因剔除都应该采用条件型基因剔除的方法,以保证表型分析的完整性。     

显微注射法制备遗传工程小鼠模型的研究

遗传工程小鼠模型是基因功能、人类疾病发病机制及新药研究开发的最重要的模式生物之一。在建立遗传工程小鼠模型的众多方法中,显微注射法是目前国际上公认的制备转基因及基因剔除动物模型的首选。在进行了大量显微注射工作后,简要介绍建立遗传工程小鼠模型的基本技术与方法,并对在显微操作过程中较为关键的因素进行一些分析和讨论。     

脂联素基因剔除小鼠糖代谢和骨代谢的初步研究

目的:研究前期建立的脂联素基因剔除小鼠模型在基础状态的葡萄糖代谢及骨代谢状态。方法:采用长期追踪野生型和该基因剔除纯合子小鼠的体重和空腹血糖水平,并进行葡萄糖耐量(GTT)和胰岛素耐量(ITT)试验以评价该小鼠的葡萄糖代谢能力。对骨代谢的初步研究采用检测小鼠骨密度(BMD)的方式。结果:发现该基因剔除小鼠在6w时,出现空腹血糖比对照组显著低下的现象,而随着鼠龄的增长,血糖水平又趋于正常。GTT和ITT试验证明该基因剔除小鼠无糖尿病或胰岛素抵抗表型。BMD检测亦显示该小鼠在基础状态下无骨密度低下的现象。结论:脂联素基因剔除小鼠在基础状态下并无显著的糖代谢和骨代谢异常。     

马丁·约翰·埃文斯

基因剔除(又称基因打靶)技术是遗传学和分子生物学研究的常用技术之一,自上世纪80年代出现以来显示出巨大的应用潜力,基因剔除小鼠成为生命科学研究和药物开发必不可少的工具之一.     

Adiponectin 基因剔除LacZ基因敲入小鼠模型的建立

adiponectin是脂肪细胞特异分泌的一种活性蛋白质,具有增加胰岛素敏感性、抗炎及抗动脉硬化等活性.建立adiponectin基因剔除β-半乳糖苷酶基因(LacZ)敲入小鼠模型,可为整体动物水平研究adiponectin基因功能及其表达调控机制等提供理想工具.根据生物信息学方法获得adiponectin基因组序列,设计基因剔除及敲入策略,在adiponectin基因第2和第3号外显子剔除的同时,在其ATG和信号肽序列后顺接LacZ基因完整编码序列,构建完成了Adipo-LacZ-XpPNT基因剔除质粒.通过电穿孔将打靶质粒转入ES细胞,以G418和ganciclovir进行药物筛选,获得药物抗性的ES细胞克隆,PCR和DNA印迹鉴定出正确同源重组克隆.将同源重组的ES细胞克隆注入小鼠囊胚得到嵌合体小鼠,嵌合体小鼠与C57BL/6J小鼠交配产生杂合子小鼠,杂合子间交配获得adiponectin基因剔除LacZ基因敲入纯合子小鼠.经RT-PCR、RNA印迹和ELISA检测证实纯合子小鼠脂肪和血清中adiponectin基因表达呈阴性.RT-PCR、RNA印迹及蛋白质印迹检测发现,LacZ基因在突变小鼠脂肪组织中有特异性表达,其表达谱与内源性adiponectin基因的表达谱一致.但在脂肪组织及外周血中未能检测到LacZ活性,且血清中LacZ蛋白亦呈阴性.由此成功建立了adiponectin基因完全灭活及LacZ基因以内源性adiponectin基因表达谱表达的小鼠模型,为进一步研究该基因功能及其表达调控创造了有利条件.     

基于凝血因子IX基因剔除小鼠建立血友病乙转基因动物模型

为在凝血基因IX基因剔除小鼠基础上建立基因组中整合有含特定点突变的人凝血因子IX基因表达载体原转基因小鼠家系,为血友病乙的研究提供更接近临床实际的动物模型。利用体外定点突变技术,构建含有特定点突变的人凝因IX基因表达载体,该载体包括由人凝血因子IX编码区及第一内含子构成的人凝血因子IX基因（hFIXml）、4个拷贝的MCK增强子（MCKe）、鸡β－肌动蛋白启动子（bA）及PolyA,命名为pMe4bAIXml质粒。将其线性化后,用显微注射法注射入817只凝血因子IX基因剔除小鼠受精卵雄原核,再将它们分别回输45只假孕受体母鼠的输卵管中,共产仔69只,存活63只。采用PCR与基因组Southern杂交筛选法鉴定小鼠,证实6只小鼠基因组中整合有含特定点突变的pMe4bAIXml质粒,并对1只小鼠的PCR产物进行测序,证实转基因结构特征符合设计要求。     

BPOZ基因剔除小鼠模型的建立

BPOZ是在卵巢癌等肿瘤组织中表达下调的细胞生长抑制基因,建立BPOZ基因剔除小鼠模型,可以为在体研究BPOZ基因的生物学功能及其与肿瘤发生的关系创造条件.运用生物信息学手段确定小鼠BPOZ基因组序列,设计基因剔除策略,构建完成了基因剔除载体XpPNT-BPOZ.以电穿孔方法将基因剔除载体导入ES细胞,用G418和Ganciclovoir进行正负筛选,获得抵抗克隆,PCR和DNA印迹鉴定出正确同源重组的ES细胞克隆.将同源重组的ES细胞注入小鼠囊胚,获得嵌合体小鼠.嵌合体小鼠与C57BL/6J小鼠交配后获得Aguoti毛色的小鼠30只,其中15只为BPOZ基因剔除杂合子小鼠,阳性率为50%.在雌雄杂合子交配的后代中获得纯合子小鼠.初步的表型观察发现BPOZ基因剔除小鼠发育正常,有繁殖能力,进一步的表型分析工作正在进行之中.     

几丁质酶结构域内含蛋白1(Chid1)基因剔除小鼠的建立

建立几丁质酶结构域内含蛋白1(chitinase domain containing 1,Chid1)基因剔除小鼠,观察小鼠表型和发育差异。设计了合适的基因剔除策略,成功构建了基因剔除打靶载体。以电穿孔方法将打靶载体导入ES细胞(embryonic stem cell),用G418和Ganciclovoir进行正负筛选,挑选抗药的阳性克隆,提取ES细胞基因组DNA,用长臂PCR鉴定出阳性ES细胞。将阳性ES细胞复苏培养后注入小鼠囊胚,获得嵌合体小鼠。嵌合体小鼠与C57BL/6J小鼠交配后获得Aguoti毛色的杂合子小鼠。在雌雄杂合子交配的后代中获得纯合子小鼠。从脑、脾脏、肝、肺的RNA水平鉴定来看,基因剔除小鼠的Chid1基因未表达,而杂合子、野生型小鼠有明显的该基因条带。经过初步的表型观察发现,Chid1基因剔除小鼠发育正常,未出现胚胎致死,交配繁殖能力无异常。几丁质酶结构域内含蛋白1(Chid1)基因剔除小鼠模型建立成功。Child1基因对于小鼠发育、生殖方面无明显作用。     

人类生精的相关基因

遗传因素在男性的生精过程中起重要作用。目前大多数的研究以小鼠为模型。该以精子发生过程的先后为主线,主要阐述通过基因剔除等技术,对与生殖相关的一些较重要基因功能的认识,并简述目前研究方法的局限性和对未来研究进展的展望。     

标准化嵌合体制备体系的研究

目的:完善和规范基因剔除小鼠技术体系的关键技术环节,建立一套高效的嵌合体制备体系。方法:优化胚胎干细胞(ES细胞)的基本培养条件;应用条件培养液筛选、富集高嵌合潜能的ES细胞;成熟嵌合体的制备技术;改变胚胎的移植方式,改善受体的生理状态。结果:ES细胞基本培养条件的优化及条件培养液的筛选保持了ES细胞的整体高嵌合潜能,嵌合体制备技术得以成熟,胚胎移植方式的改变提高了移植胚胎的产仔率,这些措施大大提高了嵌合体的制备效率。结论:通过对基因剔除小鼠技术体系的关键技术环节进行优化和改进,建立了一套高效的嵌合体制备程序,为基因剔除小鼠服务体系的开展打下了坚实的基础。     

The mousetrap: what we can learn when the mouse model does not mimic the human disease

In recent years, mouse models for human metabolic diseases have become commonplace because the information gained from in vivo study of biochemical pathways is invaluable, and many metabolic diseases are relatively easy to recreate in mice through gene knockout technology in embryonic stem cells. In certain cases, however, the knockout mice may reproduce only some of the human disease phenotype, may be more severely affected than human cases, or may have no clinical phenotype at all. Under these circumstances, the disease pathology can become more complex, causing the researcher to evaluate basic differences in mouse and human biology as well as questions of genetic background, alternate pathways, and possible gene interactions. This review is a brief analysis of gene knockout models for Lesch-Nyhan syndrome, Lowe syndrome, X-linked adrenoleukodystrophy, Fabry disease, galactosemia, glycogen storage disease type II, metachromatic leukodystrophy, and Tay-Sachs disease, which produce a biochemical model of disease but often do not reproduce clinical symptoms. These mice may be useful for studying the biochemical and physiological pathways in which certain metabolites function toward embryonic and fetal development, as well as specific functions in various organs, and they may provide an inexpensive and useful model system for development of new therapeutic techniques.     

乳腺上皮细胞特异性敲除Scrib基因杂合子小鼠的制作与鉴定

目的利用Cre．LoxP重组酶系统构建乳腺上皮细胞特异性敲除Serib基因杂合子小鼠,并进行鉴定,为进一步在动物整体水平研究Scrib基因在乳腺癌中的作用提供研究平台。方法将Scrib条件敲除杂合子小鼠（Scrib＋/ft小鼠）进行繁殖并鉴定,然后将鉴定结果为阳性的子代Scrib＋/ft小鼠与乳腺上皮细胞特异性表达Cre重组酶的MMTV．Cre纯合子小鼠进行杂交,鉴定其子代小鼠的基因型。结果成功繁育Scrib条件敲除小鼠和MMTV．Cre小鼠,并通过鉴定得到Scrib＋/ft小鼠,与MMTV-Cre小鼠杂交并繁殖,获得基因型为Scrib＋/ft;MMTVCre＋/-小鼠5只。结论本研究利用Cre．LoxP重组酶系统成功构建了乳腺上皮细胞特异性敲除Scrib基因杂合子小鼠,为进一步研究极性蛋白Scrib表达下调在乳腺癌发生中的作用提供了良好的动物模型。     

基因敲除小鼠技术的研究进展

基因敲除小鼠技术的建立和发展使得人们为研究基因的功能和寻找新的治疗人类疾病的靶点提供了强有力的支持。基因打靶和基因捕获是两种通过胚胎干细胞(Embryonicstemcell,ESC)构建基因敲除小鼠的技术。基因打靶通过同源重组替换内源基因从而敲除目的基因,而基因捕获则有启动子捕获和polyA捕获两种方法对目的基因进行敲除。近年来,有许多新的基因敲除技术不断被开发出来,包括Cre/loxP系统、CRISP/Cas9系统以及最新的ZFN技术和TAILEN技术,都有望取代传统基因敲除手段。文中简要阐述了如今新出现的几种基因敲除小鼠技术。     

The broken mouse: the role of development, plasticity and environment in the interpretation of phenotypic changes in knockout mice

With the advent of gene knockout technology has arisen the problem of how to interpret the resulting phenotypic changes in mice lacking specific genes. This problem is especially relevant when applied to behavioral phenotypes of knockout mice, which are difficult to interpret. Of particular interest are the roles of development and compensatory changes, as well as other factors, such as the influence of the gene knockout on nearby genes, the effect of the genetic background strain, maternal behavioral influences, and pleiotrophy.     

Human BRCA1 gene rescues the embryonic lethality of Brca1 mutant mice

Half of all familial breast cancers are due to mutation in the BRCA1 gene. However, despite its importance, attempts to model BRCA1-induced disease in the mouse have been disappointing. Heterozygous Brca1 knockout mice do not develop mammary tumors and homozygous knockout mice die during embryogenesis from ill-defined causes. Sequence analysis has shown that the coding region, genomic organization, and regulatory sequences of the human and mouse genes are not well conserved. This has raised the question of whether the mouse can serve as an effective model for functional analysis of the human BRCA1 gene. To address this question we have introduced a bacterial artificial chromosome containing the human BRCA1 gene into the germline of Brca1 knockout mice. Surprisingly, we have found that the embryonic lethality of Brca1 knockout mice is rescued by the human transgene. We also show that expression of human BRCA1 transgene mirrors the endogenous murine gene. Our "humanized" transgenic mice can serve as a model system for functional analyses of the human BRCA1 gene. Published 2001 Wiley-Liss, Inc.     

Mouse models for peroxisome biogenesis disorders

The gene knockout technology has been applied to generate mice lacking functional peroxisomes. These mice are a model for Zellweger syndrome and other peroxisome biogenesis disorders that are lethal in early life. Extensive biochemical, ultrastructural, and neurodevelopmental analyses indicate that the peroxisome deficient mice closely mimic the pathology in Zellweger patients and will be a very useful tool to elucidate the pathogenesis of this disease.     

Lats1基因敲除小鼠保种的研究

目的　以Lats1基因敲除小鼠为例 ,研究国家遗传工程小鼠资源库遗传小鼠的保种技术路线及方法。方法　采用了胚胎移植 ,目的基因检测 ,胚胎冷冻等技术。结果　在库内得到 2 4只Lats+ -小鼠 ,扩群后 ,冷冻保存 110枚胚胎。结论　上述方法能确保Lats1基因敲除小鼠资源库保种成功。     

哺乳动物同性生殖研究历程及应用前景

繁殖是所有生命形式的基础，同性生殖作为一种特殊的繁殖方式存在于自然界中。同性生殖包含孤雌生殖和孤雄生殖，在哺乳动物中尚未被发现。印记基因等表观遗传机制的存在阻碍了同性生殖胚胎发育。目前利用基因编辑已成功培育出双母系小鼠（Mus musculus domesticus）、单母小鼠和双父系小鼠，双母系小鼠和单母小鼠可正常发育并繁殖后代，双父系小鼠可存活48h。本文综述了哺乳动物同性生殖相关技术以及探究历程，总结了同性生殖技术的应用前景与发展方向。     

去泛素化酶OTUB1肝脏特异性基因敲除小鼠模型的构建与表型分析

目的:建立OTUB1肝脏特异性基因敲除小鼠模型,初步分析其表型并研究OTUB1基因与肝脏代谢的关系。方法:利用Cre/Loxp系统构建条件性基因敲除小鼠模型,即将OTUB1~(fl/fl)转基因小鼠与Alb-Cre小鼠杂交,子代自交,得到OTUB1肝特异性基因敲除小鼠并进行鉴定。取同窝对照小鼠(control,NC)和肝特异型基因敲除(hepatic-specific OTUB1 knockout,HCKO)小鼠,通过PCR和免疫印迹(Western blot),确证OTUB1肝脏特异性基因敲除小鼠模型是否成功构建。通过组织病理学方法,分析主要组织器官的形态以及是否存在自发的病变;通过血清生化指标检测肝脏脂代谢水平;通过血糖耐受实验(GTT)分析HCKO小鼠对血糖的控制。结果:基因组测序和Western blot检测结果显示HCKO小鼠肝脏中OTUB1被敲除,其他组织中OTUB1表达水平无变化,证明OTUB1肝脏特异性基因敲除小鼠模型构建成功。HCKO小鼠出生正常,各组织器官无异常,生化指标中总胆固醇水平明显降低,表明OTUB1影响肝脏脂代谢水平。糖耐受实验中HCKO小鼠血糖回落迅速,表明敲除OTUB1影响肝脏血糖调节稳态。结论:应用Cre/Loxp技术成功建立OTUB1肝脏特异性基因敲除小鼠模型,为研究OTUB1在肝脏的生理功能和调控机制提供了重要的动物模型。     

Beyond knockout rats: New insights into finer genome manipulation in rats

The ability to “knockout” specific genes in mice via embryonic stem (ES) cell-based gene-targeting technology has significantly enriched our understanding of gene function in normal and disease phenotypes. Improvements on this original strategy have been developed to enable the manipulation of genomes in a more sophisticated fashion with unprecedented precision. The rat is the model of choice in many areas of scientific investigation despite the lack of rat genetic toolboxes. Most recent advances of zinc finger nucleases (ZFNs) and rat ES cells are diminishing the gap between rat and mouse with respect to reverse genetic approaches. Importantly, the establishment of rat ES cell-based gene targeting technology, in combination with the unique advantages of using rats, provides new, exciting opportunities to create animal models that mimic human diseases more faithfully. We hereby report our recent results concerning finer genetic modifications in the rat, and propose their potential applications in addressing biological questions.Key words: genetic manipulation, gene targeting, conditional knockout, transgenic animal, rat model, p53 knockout rat, embryonic stem cells