第9章转基因动物与动物生物反应器课件.ppt
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1、第第9章章 转基因动物转基因动物与动物生物反应器与动物生物反应器一一 转基因动物的制备方法转基因动物的制备方法二二 转基因动物的应用转基因动物的应用三三 乳腺生物反应器乳腺生物反应器四四 基因打靶基因打靶转基因动物转基因动物p基因工程技术基因工程技术p胚胎工程技术胚胎工程技术 转基因动物(转基因动物(transgenic animal)是指借助是指借助基因工程技术将外源基因导入受体动物染色基因工程技术将外源基因导入受体动物染色体内,外源基因与动物基因整合后随细胞的体内,外源基因与动物基因整合后随细胞的分裂而扩增,在体内表达并能稳定地遗传给分裂而扩增,在体内表达并能稳定地遗传给后代的动物。后代的
2、动物。转基因动物的命名转基因动物的命名p原代转基因动物原代转基因动物:founder G0 G1 G2p拟人化命名拟人化命名伦理问题伦理问题p人类在认识自然改造自然上的巨大进步人类在认识自然改造自然上的巨大进步p潜在的危害潜在的危害1982年年,Palmiter生产超级小鼠生产超级小鼠世界上第一只转基因动物世界上第一只转基因动物:转入了生长激转入了生长激素基因的巨鼠(素基因的巨鼠(supermouse)哺乳动物转基因技术的主要环节哺乳动物转基因技术的主要环节1 目标基因克隆和体外重组目标基因克隆和体外重组 2 外源基因的导入外源基因的导入3 外源外源DNA整合、转录及表达的分子检测整合、转录及
3、表达的分子检测 4 转基因动物品系或品种的建立转基因动物品系或品种的建立 哺乳动物生殖生理哺乳动物生殖生理哺乳动物受精和妊娠,整哺乳动物受精和妊娠,整个过程都在母畜体内进。个过程都在母畜体内进。一一 转基因哺乳动物的制备方法转基因哺乳动物的制备方法显微注射法显微注射法逆转录病毒载体感染逆转录病毒载体感染精子载体介导法精子载体介导法胚胎干细胞介导法胚胎干细胞介导法体细胞克隆技术体细胞克隆技术精原干细胞介导法精原干细胞介导法 YAC介导的基因转移介导的基因转移?1 显微注射法显微注射法Microinjection into the Pronucleus of a Bovine Zygote 受精卵
4、受精卵显微注射显微注射胚胎移植胚胎移植后定检测后定检测显显微微注注射射法法操操作作流流程程视视 频频 a、转移率较高、整合效率达、转移率较高、整合效率达20%;b、外源基因长度可达数百、外源基因长度可达数百Kb;c、可得纯系动物;、可得纯系动物;d、周期相对较短。、周期相对较短。显微注射法的优点显微注射法的优点a、设备昂贵、操作复杂;、设备昂贵、操作复杂;b、随机整合、首尾相连的多拷贝;、随机整合、首尾相连的多拷贝;c、转基因效率较低,约、转基因效率较低,约0.5%-3%;d、常造成插入位点附近宿主、常造成插入位点附近宿主DNA大片大片段缺失、重组等突变,出现动物严重段缺失、重组等突变,出现动
5、物严重生理缺陷。生理缺陷。缺缺 点点2逆转录病毒载体感染法逆转录病毒载体感染法 原理:当逆转录病毒的原理:当逆转录病毒的RNA 进入细胞后,逆进入细胞后,逆转录成转录成DNA,依靠逆,依靠逆转录病毒的整合酶及其转录病毒的整合酶及其末端特异的核苷酸序列,末端特异的核苷酸序列,DNA前病毒可整合到前病毒可整合到染色体上,从而将其所染色体上,从而将其所携带的外源基因插入到携带的外源基因插入到染色体上。染色体上。逆转录病毒载体逆转录病毒载体 逆转录病毒感染法特点逆转录病毒感染法特点 优点:优点:在各种转基因方法中,逆转录病毒感染法在各种转基因方法中,逆转录病毒感染法的转基因效率是最高的,且为单拷贝随机
6、整合。的转基因效率是最高的,且为单拷贝随机整合。缺点:缺点:逆转录病毒载体在设计时虽然缺失了病毒逆转录病毒载体在设计时虽然缺失了病毒的复制功能序列,但是复制大量载体的复制功能序列,但是复制大量载体DNADNA所需的辅助所需的辅助病毒基因组内有可能与目的基因一起整合到同一细病毒基因组内有可能与目的基因一起整合到同一细胞核中,就可能大量复制病毒,造成严重的污染,胞核中,就可能大量复制病毒,造成严重的污染,故不安全。此外,逆转录病毒载体容量有限,只能故不安全。此外,逆转录病毒载体容量有限,只能转移小片段转移小片段DNADNA(10kb10kb),而且逆转录病毒长末端),而且逆转录病毒长末端重复的甲基
7、化状态常使转基因的表达缺失。重复的甲基化状态常使转基因的表达缺失。3 精子载体法精子载体法1989 年年,Lavitrano等将质粒与小鼠的附睾精子,在等渗等将质粒与小鼠的附睾精子,在等渗溶液中共育溶液中共育30 min 后进行体外受精和移植,产生转基后进行体外受精和移植,产生转基因阳性小鼠并能遗传给后代。因阳性小鼠并能遗传给后代。Rottman 等对上述精子载体法进行了改进,其将外源等对上述精子载体法进行了改进,其将外源DNA 用脂质体包埋,再与鸡精子共同孵育,然后人工用脂质体包埋,再与鸡精子共同孵育,然后人工受精取得成功。受精取得成功。Anthony等尝试了一种新的方法,预先将小鼠的精子进
8、等尝试了一种新的方法,预先将小鼠的精子进行破膜处理,再与外源基因共孵育行破膜处理,再与外源基因共孵育1 min,然后将精,然后将精子头部显微注射入子头部显微注射入M 期的小鼠卵母细胞,获得成功。期的小鼠卵母细胞,获得成功。该项研究揭示,精子膜破损后外源该项研究揭示,精子膜破损后外源DNA 穿过外膜吸附穿过外膜吸附于内膜于内膜,更有利于转基因动物的产生。更有利于转基因动物的产生。精子与外源精子与外源DNADNA结合的机理结合的机理 Smdrdora(2019)的研究结果表明。只有附的研究结果表明。只有附睾精子和经洗涤去精清的精子才能有效地睾精子和经洗涤去精清的精子才能有效地携带外源携带外源DNA
9、,这说明精浆中某种因子强,这说明精浆中某种因子强烈抑制外源烈抑制外源DNA的结合。这些因子可能直的结合。这些因子可能直接作用于接作用于DNA分子,也可能竞争结合在精分子,也可能竞争结合在精子表面的结合部位而间接起作用。子表面的结合部位而间接起作用。促进促进DNADNA与动物精子结合的方法与动物精子结合的方法 1 共孵育法共孵育法 2 电穿孔法电穿孔法3 脂质体法脂质体法精子载体法?精子载体法?别人无法重复别人无法重复4 4、胚胎干细胞法、胚胎干细胞法 获得功能基因获得功能基因 构建基因打靶载体构建基因打靶载体 转染胚胎干细胞获得基因剔除细胞系转染胚胎干细胞获得基因剔除细胞系 制备嵌合体制备嵌合
10、体 筛选进入生殖系小鼠筛选进入生殖系小鼠 转基因小鼠(转基因小鼠(F1)表型分析)表型分析 选择单系同胞交配产生(选择单系同胞交配产生(F2)代)代 筛选纯合子的转基因小鼠筛选纯合子的转基因小鼠 胚胎干细胞法建立转基因鼠的实验程序胚胎干细胞法建立转基因鼠的实验程序与传统育种方法相比较,与传统育种方法相比较,ESES细胞在生产细胞在生产转基因动物方面表现其独特的优势:转基因动物方面表现其独特的优势:(1)打破了物种的界限,突破了亲缘关系的限制,加快)打破了物种的界限,突破了亲缘关系的限制,加快了动物群体遗传变异程度;了动物群体遗传变异程度;(2)可以进行定向变异和育种,利用同源重组技术对)可以进
11、行定向变异和育种,利用同源重组技术对ES细胞进行遗传操作,通过细胞核移植生产遗传修饰细胞进行遗传操作,通过细胞核移植生产遗传修饰性动物,有可能创造新的物种;性动物,有可能创造新的物种;(3)利用)利用ES细胞技术,可在细胞水平对胚胎进行早期细胞技术,可在细胞水平对胚胎进行早期选择,这样可以提高选择的准确性,缩短育种时间。选择,这样可以提高选择的准确性,缩短育种时间。近年来的研究表明,利用近年来的研究表明,利用ES细胞生产转基因动物在动细胞生产转基因动物在动物生产中发挥着极为重要的作用。物生产中发挥着极为重要的作用。基因打靶基因打靶5 体细胞克隆转基因技术平台体细胞克隆转基因技术平台Cloned
12、 sheep has human gene POLLY DOLLY Korea:Production of transgenic cloned pigs transgenic cloned pigs with the green fluorescent protein(GFP)on June 8,2019.导入人乳铁蛋白转基因的克隆奶导入人乳铁蛋白转基因的克隆奶牛牛2019年初在唐山降生年初在唐山降生 6 精原干细胞介导法精原干细胞介导法generation of transgenic ratsWhich gene transfer technique involves a tiny need
13、le which is used to inject DNA into a cell lacking that DNA sequence?A)spermatogonial stem cells transplantation B)liposome transfer C)microinjection D)gene targeting of embryo stem(ES)cells Genetic engineering manipulates gene products at the level of the A)protein.B)amino acid.C)DNA.D)RNA.转基因鸡现在的工
14、作:转基因鱼现在的工作:转基因鱼二二 转基因动物的应用转基因动物的应用(1 1)动物品种改良;)动物品种改良;(2 2)生物制药)生物制药(乳腺生物反应器乳腺生物反应器);(3 3)建立人类疾病的动物模型;)建立人类疾病的动物模型;(4 4)生产可移植用的动物器官;)生产可移植用的动物器官;(5 5)基因治疗)基因治疗(动物模型动物模型);(6 6)基因打靶基因打靶。(1)动物品种改良)动物品种改良抗病育种抗病育种生长性状生长性状(2 2)生物制药)生物制药(乳腺生物反应器乳腺生物反应器)如荷兰的如荷兰的GenPharm公公司用转基因牛生产乳铁司用转基因牛生产乳铁蛋白,预计每年从牛奶蛋白,预计
15、每年从牛奶生产出来营养奶粉的销生产出来营养奶粉的销售额是售额是50亿美元。亿美元。(3)建立人类疾病的动物模型)建立人类疾病的动物模型 已建立的部分人类疾病的转基因动物模型已建立的部分人类疾病的转基因动物模型_疾病模型疾病模型 基因转移方法基因转移方法 转导的基因转导的基因_老年性痴呆征老年性痴呆征 显微注射显微注射 淀粉样蛋白基因淀粉样蛋白基因型糖尿病型糖尿病 显微注射显微注射 胰岛淀粉样多肽基因胰岛淀粉样多肽基因地中海贫血症地中海贫血症 显微注射显微注射 人人珠蛋白基因珠蛋白基因镰刀形细胞贫血症镰刀形细胞贫血症 显微注射显微注射 人人和和珠蛋白基因珠蛋白基因唐氏综合症唐氏综合症 显微注射显
16、微注射 Cu/Zn-SOD酶基因酶基因卡氏肉瘤卡氏肉瘤 反转录病毒转染反转录病毒转染 HIV tat基因基因成骨不全症成骨不全症 显微注射显微注射 突变的突变的1胶原蛋白前体基因胶原蛋白前体基因自毁容貌症自毁容貌症 ES细胞同源重组细胞同源重组 突变突变HGPRT基因基因_4)生产可移植用的动物器官生产可移植用的动物器官 我国每年有我国每年有150万人需要器官移植,但是万人需要器官移植,但是仅仅不到仅仅不到1万人能够得到供体。万人能够得到供体。猪的脏器移植给人,会发生超急性排斥反猪的脏器移植给人,会发生超急性排斥反应。应。转基因技术生产能降低或掩盖半乳糖基转转基因技术生产能降低或掩盖半乳糖基转
17、移酶活性的转基因猪。移酶活性的转基因猪。如何用细胞工程解决移植器官的来源问题如何用细胞工程解决移植器官的来源问题?Science(2019).295,10891092(5)基因治疗)基因治疗 上世纪九十年代初,一位因上世纪九十年代初,一位因ADA(腺苷酸脱氨酶腺苷酸脱氨酶)基因缺陷导基因缺陷导致严重免疫缺损的四岁女孩,由致严重免疫缺损的四岁女孩,由美国国立卫生研究院用美国国立卫生研究院用ADA基因基因治愈。治愈。“基因治疗基因治疗”研究热从此研究热从此波及全世界,起而效颦,为保障波及全世界,起而效颦,为保障人类健康展现了美好的前景。人类健康展现了美好的前景。(6)基因打靶)基因打靶 基因打靶基
18、因打靶(Gene targeting)是一种在胚胎干细是一种在胚胎干细胞胞(ES)技术和同源重组技术的基础之上技术和同源重组技术的基础之上,定向定向改变生物活体遗传信息的实验手段。改变生物活体遗传信息的实验手段。基因敲除基因敲除(gene knockout):定向敲除:定向敲除基因敲入基因敲入(gene knockin):定向替代:定向替代基因打靶的研究意义基因打靶的研究意义基因功能研究基因功能研究人类疾病动物模型的研制人类疾病动物模型的研制经济动物遗传物质的改良经济动物遗传物质的改良三个主要环节三个主要环节打靶载体的构建打靶载体的构建靶细胞转染与筛选靶细胞转染与筛选由中靶细胞制备转基因动物由
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