转基因大/小鼠模型

动物模型是现代生命科学研究的重要工具,在基因功能研究、人类生理和病理研究及新药研发中起着不可替代的作用。近年来,制备动物模型的基因修饰技术层出不穷,包括传统ES打靶、TALEN和最新的CRISPR/Cas9基因敲除新技术。这三种技术的原理、特点和优缺点作系统的介绍和对比。

1、传统ES打靶基因敲除:

技术成熟、修饰准确、效果稳定,但制作周期长达一年

世界上所有重要的的小鼠动物模型均通过基于胚胎干细胞的同源重组技术制备。尽管新兴核酸酶敲除技术如ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9等相继出现,但基于胚胎干细胞的同源重组技术依然是唯一可以满足所有基因组修饰要求的技术。

基因打靶就是通过同源重组技术将外源基因定点整合进基因组上某一确定的位点,以达到定点修饰改造染色体上基因的目的。基因打靶技术目前已被广泛认为是一种理想的特定修饰与改造生物体遗传物质的最佳方法,其中包括了多种不同的基因敲除和敲入系统,特别是条件性和诱导性基因打靶系统的建立,使得对基因在时间和空间上的靶位修饰更加明确、效果更加精确可靠。

 2、TALEN基因敲除:

周期短,但存在马赛克现象和脱靶现象

TALEN 技术是一种过渡时期的基因敲除工具。植物细菌中的TAL蛋白的核酸结合域的氨基酸序列与其靶位点的核酸序列有恒定的对应关系。利用TAL的序列模块,可组装成特异结合任意DNA序列的模块化蛋白,从而达到靶向操作内源性基因的目的,它可以视为ZFN方法的延续版本,操作简单方便。但因为脱靶的问题,利用TALEN技术进行小鼠的基因修饰仍然无法取代传统技术,Cas9系统出现后使用也越来越少

3、CRISPR/Cas9基因敲除:

周期短,但存在马赛克现象和脱靶现象

CRISPR/Cas9(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)是最新出现的一种由Cas核酸酶对靶向基因进行特定DNA修饰的技术。 CRISPR 是细菌和古细菌为应对病毒和质粒不断攻击而演化来的获得性免疫防御机制。在这一系统中,crRNA(CRISPR-derived RNA)通过碱基配对与tracrRNA(trans-activating RNA)结合形成双链RNA,tracrRNA/crRNA复合体指导Cas9蛋白在crRNA引导剪切双链DNA。CRISPR/Cas9系统能够对小鼠和大鼠基因组特定基因位点进行精确编辑。随着该系统的不断改进,Cas9基因敲除技术的优势更加明显

技术类型技术原理随机插入现象脱靶现象马赛克现象
传统ES打靶技术大片段的同源重组可以排除所有的随机插入,所有随机插入的克隆都可以被Southern   Blot检测到并排除无脱靶风险
因为同源重组技术是一个极度保守的技术,只有几个碱基的差异就同源重组发生的概率就会大大下降动物由单一克隆发育而成,修饰的基因型一致
TALEN技术KO:核酸酶定点切割无法排除风险无法排除风险存在
KI:核酸酶定点切割后产生DNA断口,相对提高该位点的短片段同源重组效率特别是在做KI的应用时候,线性化的DNA会产生较高概率的随机插入TALEN识别序列较短,获得的动物必须进行脱靶效应的检测如果核酸酶起作用不是在胚胎的单细胞阶段,就会出现一个动物有多种修饰基因型的现象
CRISPR/Cas9技术KO :核酸酶定点切割无法排除风险无法排除风险存在
KI:核酸酶定点切割后产生DNA断口,相对提高该位点的短片段同源重组效率特别是在做KI的应用时候,线性化的DNA会产生较高概率的随机插入gRNA识别序列较短,获得的动物必须进行脱靶效应的检测如果核酸酶起作用不是在胚胎的单细胞阶段,就会出现一个动物有多种修饰基因型的现象


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