基因靶向

基因靶向 触摸大师脉搏 再悟生命科学 ----“2007诺贝尔生理学奖或医学奖”及相关生物学知识研究 高三(6)班 徐菁鸿 沈 杨 指导教师 於灵萍 林菊英 【主要成就】 2007年10月8日,瑞典卡罗琳斯卡研究院公布了本年度诺贝尔生理学或医学奖获奖名单,美国Howard Hughes医学研究所的Mario R. Capecchi、英国卡迪夫大学的Martin J. Evans爵士以及美国北卡罗来那大学Chapel Hill分校的Oliver Smithies在DNA重组和胚胎干细胞研究等领域有重大发现而使基因靶向技术诞生,他们因此分获此项殊荣。 什么是基因靶向技术?“基因靶向”技 术，也通常被称作基因敲除。“基因靶向” 技术利用胚胎干细胞改造老鼠体内的特定 基因。在“基因靶向”技术的帮助下，科学 家可以使实验鼠体内的一些“不活跃”基 因失去作用，从而发现这些基因的实际功 能。科学家希望借此发现人类一些疑难杂症 在分子水平上的发病原因，并最终找到治疗 途径。目前，“基因靶向”已被应用于对囊肿性纤维化、心脏病、糖尿病和癌症等的研究。 基因敲除除可中止某一基因的达外，还包括引入新基因及引入定点突变。既可以是用突变基因或其它基因敲除相应的正常基因，也可以用正常基因敲除相应的突变基因。 基因敲除的技术路线虽不复杂，但由于高等真核细胞内外源DNA与靶细胞DNA序列自然发生同源重组的机率非常低，约为百万分之一，要把基因敲除成功的细胞筛选出来是一件非常困难的工作。因此，同源重组的筛选和检测就成了基因敲除技术所要解决的关键问题。 基因靶向技术的原理支持是什么,----同源重组修饰基因。人体DNA被“包装”在染色体之中,成对出现。一对基因中一个来自父亲,一个来自母亲。在细胞分裂中同源染色体联会时期,由于染色体的缠绕而产生张力,两个相对染色单体可能在同一位置断裂,然后彼此与另一染色单体重新连接。这个过程被称作同源重组。重组可以消除染色体缠绕产生的张力。在重组中 DNA序列也发生互换,从而增加了种内基因变异。1958年Joshua Lederberg就是因为研究细菌的同源重组而成为诺贝尔生理学或医学奖得主之一。 Mario Capecchi和Oliver Smithies各自独立地发现,同源重组可以应用于哺乳动物细胞中特定基因的修饰。Capecchi发现,同源重组可以发生在染色体以及引入的DNA之间。他发现缺陷的基因可以通过与外来DNA发生重组而得到修复。Smithies开始时也试图修复人体细胞内的突变基因。他认为只要纠正了骨髓干细胞中导致某种疾病的基因突变就可以让一些遗传性血液病得到治疗。在这些研究中他发现,内源性基因不论其活性如何,都可以被靶向,提示所有的基因都可以通过同源重组来修饰。 【知识联想】 基因重组来源:非同源染色体自由组合;同源染色体非姐妹染色单体交叉互换。此外，基因工程、基因靶向技术涉及的也是基因重组。还有，R型菌转化成S型菌的实质也是基因重组。 但是，非同源染色体交换片段(易位)、受精作用(基因随机结合)、自交后代出现不同性状(性状分离)等通常不列入基因重组范畴。 【试题研究】 1. 美英两国的两位科学家因为在胚胎干细胞研究方面的“基因靶向”技术获得2007年度诺贝尔生理学或 医学奖。通过“基因靶向”技术可以对小鼠染色体组进行特异性的遗传修饰，包括简单的“基因敲除”、 点突变的引入、染色体组大片段的删除和重排以及外源基因的定位整合等。下图是“基因靶向”技术 的主要步骤，请据图回答下列问题: (1)ES细胞具有胚胎细胞的特性,在形态上,表现为 ，图中显微注射的目的是 。 (2)复合型免疫缺陷症是一种遗传病，实施基因治疗的一 般方法是取患者的 作为受体细胞，将正常 的外源基因插入受体细胞后，再回输体内，以替代、 修复或纠正有缺陷的基因，但如果外源基因随机插入 会因位置效应引起紊乱， 很好地解决了这 一问题。 (3)要检测上述小鼠染色体的DNA上是否插入了靶基因可 采用 技术。 (4)上述步骤所涉及的动物细胞培养过程中，进行传 代培养时用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主 要是 。改用胃蛋白酶行吗, 。 为什么, 。 2. 由于在“基因靶向敲除”技术方面获得重大成果，两位美国科学家和一位英国科学家分享了2007年诺 贝尔生理或医学奖。“基因靶向敲除”是指利用细胞内的DNA可与外源性DNA同源序列发生同源重组 的性质，用设计好的DNA片段替代动物细胞内的基因片段，从而达到基因敲除目的，其基本原理如下 图所示。请回答下列问题: (1)“基因靶向敲除”实质上属于 技术。 (2)从获取目的基因到将目的基因导入受体细胞 前，两次使用了同一种基因操作工具，该工具 是 。 (3)要想获得一只含目的基因的小鼠，一般是通过病毒感染或显微注射技术将目的基因导入受精卵，选择 受精卵作受体细胞的原因从细胞分化角度讲 。 (4)在此类基因操作中，通常可以用水母的发光蛋白作为标记物。水母发光蛋白有发光环，能在一定条件 下发出荧光，现已将此蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是 A(便于获取目的基因 B(便于目的基因在宿主细胞中扩增 C(便于目的基因的转移容易被检测 D(便于目的基因的表达 (5)按上述“基因靶向敲除”操作获得的小鼠其基因是杂合的，这种杂合小鼠的遗传是否遵循孟德尔定 律, 。为更好地研究该动物细胞内靶基因的功能，人们想获得一个含纯合目的基因的个体，下一 步该如何实验操作? 。 参考答案:1.(1)体积小，细胞核大，核仁明显 发育的全能性 使供、受体的生理状态相同 (2)淋巴细胞(脐带血细胞) “基因靶向”技术 (3)DNA分子杂交技术 (4)蛋白质 不行 胃蛋白酶作用的适宜pH约为2，当pH大于6时，胃蛋白酶就会失去活性，而小鼠ES细胞培养的适宜pH为7.2,7.4，所以用胃蛋白酶不行 2.(1)转基因 (2)同一种限制性核酸内切酶 (3)受精卵分化程度低，全能性最强，极易培育为一个完整个体 (4)C (5)遵循 将两个均携带了目的基因的杂合体雌雄个体进行杂交，即可得到目的基因为纯合的子代个体 简析:(1)根据题干给予的“基因靶向敲除”的说明以及图示可知，它是把外源的基因导入到受体细胞中，因此属于转基因的范畴。区别在于，通常所说的转基因，其目的因此在受体细胞中的存在位置不能预先定位，而基因靶向技术中，目的基因替代的是受体细胞中既定的基因，也就是目的基因导入后存在的位点是确定的。(2)根据基因工程的操作，要将目的基因导入受体细胞，首先需要用相同的限制性内切酶分别切割目的基因与运载体，使它们留下相同的粘性末端，以构建运载体。(3)含有目的基因的受体细胞要发育成为一个个体，那么该受体细胞必须能够表达其全能性，对动物细胞来讲，分化程度最低，全能性最易表达的是受精卵。(4)在转基因的操作中，目的基因是否导入受体细胞需要作检测，当用发光蛋白的基因作标记时，就可以通过荧光的检测来判断受体细胞是否含有目的基因。(5)在“基因靶向敲除”操作中，导入的目的基因只占据一对同源染色体中的一条染色体的同源区段，同源染色体中另一条染色体的同源区段依然是原基因，也就是在一对同源染色体上的一对基因只是被替换掉了其中的一个，这样的个体属于杂合体，后代的遗传将是遵循孟德尔的遗传定律的。如果要得到含纯合目的基因的个体，可以通过与同样含目的基因的异性个体进行杂交，从杂交后代中选择出含目的基因的纯合体。 (6)选取甘蔗外植体，通过诱导脱分化产生愈伤组织，然后通过调整植物激素比例，再分化形成芽和根，获得大量试管苗(或通过诱导大量形成胚状体，制成人工种子，适宜条件下萌发长成幼苗)。(每点0.5分，共2分。画出流程图也给分。) 茎尖(分生组织)组织培养 (1)转基因 (2)同一种限制性核酸内切酶 (3)受精卵分化程度低，全能性最强，极易培育为一个完整个体 (4)C (5)遵循 将两个均携带了目的基因的杂合体雌雄个体进行杂交，即可得到目的基因为纯合的子代个体