“基因敲除”技术的研究与应用

王晓敏 侯占铭

摘 要： 基因敲除（gene knock-out）又称基因打靶，是通过外源DNA与染色体DNA之间的同源重组，进行精确的定点修饰和基因改造，具有专一性强、染色体DNA可与目的片段共同稳定遗传等特点。2007的诺贝尔得奖项目就是用胚胎干细胞在小鼠特性基因修饰技术中的重大成就。这个重大奖项的颁发，使基因敲除这项高科技更加全面地展现在世人面前。这项技术从20世纪70年代一直发展至今，对人类作出了一定的贡献，但是由于技术要求比较高，因此还有很多缺点需要科学家共同努去克服，使其能在各个方面为人类作出更大的贡献。从基因敲除技术的发展趋势来看，它的前景会越来越广阔。

关键词： 基因敲除 胚胎干细胞 同源重组

2007年10月8号，诺贝尔生物或医学奖颁发，得奖者是美国遗传学家马里奥·卡佩奇安德（Mario R.Capechiand）、奥利弗·史密塞斯（Oliver Smithies）和英国遗传学家马丁·埃文斯（Martin J.Evans）。得奖项目就是他们用胚胎干细胞在小鼠特性基因修饰技术中的重大成就。卡佩奇安德因为在“基因打靶”的技术研究上有突破性工作而闻名世界，几乎同时史密塞斯也对此技术作出了巨大的奠基性的贡献，埃文斯是世界上最先从小鼠体内分离出胚胎干细胞，从而促进应用“基因敲击小鼠”技术的科学家。由这一重大创举，许多科学家和未来学家这样预言：21世纪将是生命科学的世纪，在此基础上，医学也将迅猛发展。1990年人类基因组计划启动，同时包括了人类基因图谱的绘制，随着这个伟大计划的完成，对未知基因的功能探索和研究将成为21世纪的热点领域，一些动物模型和其他模式生物将成为研究基因功能的工具。

1.基因敲除的基本原理

在早期的一些生理学的研究中，科学家们为了能详细了解动物某一器官的某一部分的具体功能，采用器官切除的方法，也就是将实验动物需要研究的器官或部分切除，之后观察实验动物的某些生理生化指标与功能的改变，从而判断这个器官或部分的具体功能，指标异常和生理缺陷的具体表现就是被切除组织的功能。[1]在现如今分子水平如此发达的今天，对于一个已知结构而功能却未知的基因，我们用类似的方法进行此基因的功能研究，即将某一基因或一部分切下，然后观察被实验动植物的状态、表型和其他性状的变化判断基因的具体功能。这种最新的研究基因功能的方法就是基因敲除（knock out）。经典遗传学（Forward genetics）是从一个突变体的表型出发，研究其基因型，进而找出该基因的编码序列，而现代遗传学（Reverse genetics，反向遗传学）首先从基因序列出发，推测其表现型，进而推导出该基因的功能。基因敲除又叫基因打靶，是将一段无关的DNA片段用来取代某一特定的基因，也是最简便的令基因失活的方法，是揭示基因功能最直接的手段之一。基因敲除的基本原理是在一段无关片段的两侧连接与代换基因两侧相同的序列，将这一构建导入目的细胞，然后基于同源重组（homologous bination）的机制，可使无关片段取代靶基因整合到染色体中。同源重组是指发生在非姐妹染色单体（sister chromatin）之间或同一染色体上含有同源序列的DNA分子之间或分子之内的重新组合，[2]这种现象普遍存在于噬菌体、细菌和真核生物中。

为了便于敲除之后的筛选，用于取代靶基因的外源DNA中都含有报告基因，一般都是选用抗生素的抗性基因，在其两侧连接同源重组序列后就组成一个“缺失盒框”（deletion cassette）。基因敲除可以改变原基因组的组成，使其产生不同的生物效应，在一定程度上终止原基因的表达。在某些时候，也会有这种情况的发生，就是用正常的基因敲除突变基因，这样做有可能使原来突变的某基因转变为原始的野生型。[3—4]总之，基因敲除是一门精细的修饰与改造真核生物基因组的新技术。[3]基因敲除从20世纪80年代发展至今，已经经历过很多次的技术更新，从一开始最简单的完全敲除发展到现如今的条件敲除，慢慢地向着更有难度的特定组织基因敲除、特定时间基因敲除的可调控敲除方向发展。[5]完全基因敲除是指通过同源重组法完全消除细胞或者动物个体中的靶基因活性，而条件型基因敲除是指将某个基因的修饰限定于特定类型的细胞或个体发育特定的阶段，即通过定位重组系统实现特定时间和空间的基因敲除。

2.基因敲除的技术路线

真核生物基因敲除的技术路线主要包括构建重组基因载体，用电穿孔、显微注射等方法把重组DNA导入胚胎干细胞中，使外源DNA与胚胎干细胞基因组中相应部分发生同源重组，将重组载体中的DNA序列整合到内源基因组中并得以表达。

从动物的角度来讲，老鼠是一种广泛应用于实验及科研的模式生物，因为老鼠的基因组组成与人类基因组的组成极为类似。与酵母不同，老鼠是多细胞生物，基因的功能常常与生长发育有关，具有组织专一性。若要观察并得知某一基因的表型，则需要获得老鼠的完整个体，科学家们经过多年的实验与研究，终于解决了这一问题。解决方法就是利用一类特殊的老鼠细胞，就是我们所知的胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）。ES细胞不同于一般的老鼠细胞，它是从哺乳动物早期胚胎发育产生的内胚团（inner cell mass）中分离出来的。胚胎干细胞本身是二倍体，而且能在体外培养，具有高度的全能型，即潜在的可分化为所有类型细胞的能力，形成包括生殖细胞在内的所有组织，并且在不同的培育条件下表现出不同的功能状态。[4]将缺失代换获得的ES细胞注射到老鼠胚细胞中，使之混合成为嵌合体，胚细胞继续发育长成的小老鼠也是嵌合体。然后将嵌合体的老鼠互相交配，从其子代中可获得基因型纯合的缺陷个体。这些老鼠个体的每个细胞都携带失活的基因，称其为剔除老鼠（knock-out mice）。通过观测剔除老鼠的表型即可获知失活基因相关功能的信息。该项技术适用于许多基因的功能检测，但有些基因的缺陷在纯合时是致死的，此时实验程序要做出相应的修改。可将有缺陷的嵌合体老鼠与正常老鼠交配，生下幼崽后，有缺陷的杂合老鼠的表型仍旧会表现得有些异常，可据此再重新分析缺陷基因的功能。胚胎干细胞（ES细胞）分离和体外培养的成功奠定了哺乳动物基因敲除的技术基础。

从植物方面讲，拟南芥是最常用的模式生物之一。随着拟南芥的模式植物的基因组序列测定的完成，这些基因的功能研究就被提上日程。拟南芥作为模式植物，是世界上第一个完成基因测序的开花植物，但这些基因中有高达90%以上的基因是未知功能的，这就需要用反向遗传学来逐一鉴定这些基因各自的功能。[6]T-DNA插入失活技术是目前在植物中使用最为广泛的基因敲除手段。基本原理就是利用根癌农杆菌T-DNA介导转化，将带有报告基因的DNA序列整合到基因组DNA上，如果这段DNA插入到目的基因内部或附近，就会影响该基因的表达，从而使该基因“失活”。具体过程是首先将目的基因与启动子（花椰菜病毒35S）及终止子组成嵌合DNA分子，接着将这个嵌合DNA分子插入到Ti衍生质粒RB与LB内，使其构成重组质粒，然后转化农杆菌细胞，还要利用重组的农杆菌细胞感染植物，目的是将质粒部分DNA包括目的基因整合到植物染色体中实现最终遗传转化。使用T-DNA插入突变可以直接在基因组DNA中产生稳定的插入突变，而不需要使用额外的步骤稳定。有研究表明，T-DNA标签在拟南芥中的分布并非是完全随机的，而是有一定的偏向性，但这种分布的偏向性并不影响利用T-DNA插入突变来饱和基因组。有的时候，T-DNA有一些缺点，例如这种方法只适用于部分植物，而这些植物是容易被T-DNA转化的才可以。再例如T-DNA整合還能出现一些复杂情况，有时还会引起染色体重排的现象，使得实验后续的结果分析变得艰难。尽管有这样那样的缺点，农杆菌介导的T-DNA转化拟南芥的方法还是得到了极大的推广和发展。

3.基因敲除的发展过程

基因敲除技术最早是于20世纪70年代发展起来的，最早的研究对象被定为酵母细胞。开始是将大多数的外源DNA片段通过同源重组整合到基因组内，随机插入仅占小部分，多为同源位点整合。在科学家们的共同努力下，于80年代的早期，基因敲除渐渐发展到了哺乳动物细胞。自从1981年小鼠的胚胎干细胞被美国和英国的两位科学家成功地分离出来后，胚胎干细胞基因敲除的技术就慢慢发展起来，并被广泛利用，日趋成熟。1984年，Bradly等把从小鼠体内分离出来的胚胎干细胞株移植入胚泡腔，这个实验首次证实了从小鼠体内分离出来并在体外培育的ES细胞是能够在母鼠体内发育成生殖嵌合体的，也能在适当交配后得到纯合体子代。在1985年，Smithies等首次成功利用基因敲除技术证实了利用同源重组对生物体的遗传信息进行定向改造的可能性。[7]1987年，Thomas等选择了X连锁的hprt基因作为靶基因，首次在胚胎干细胞中实现了基因敲除。同一年，也有被称为早期基因敲除经典实验之一的小鼠hprt基因的定点突变。1989年，真正的基因敲除小鼠诞生。[8]到了20世纪90年代后，基因敲除技术发展更迅速，多种方法手段应运而生，得到了更多的应用，使基因敲除在生物技术领域的地位更加稳固。

4.基因敲除的优点与缺点

基因敲除既然能被选作为2007年的诺贝尔奖，自然说明这项技术有一定的优点。其一，基因敲除这项技术的适用范围很广，既可以是原核细胞，又可以是真核细胞，不过较多的时候，这项技术还是被用在真核生物的研究上。其二，基因敲除发展至今已经相对成熟，也是目前能精确修饰基因组的一个有效方法。人们可以按照自己设计好的实验方法对一些结构极其复杂的细胞基因组进行定点、定量的改变，从而达到自己的目的，也就是定向地改变实验对象的遗传结构和特征，经过实验证明，这些被改造过的基因是可以随染色体DNA复制而稳定复制的，也就是说这些基因所表达出来的性状是可以稳定遗传的。其三，和其他手段相比更安全。

科学不断进步，如此先进的技术肯定会有自身的不足之处。这种技术命中率低，操作较为复杂，实验周期长，所用药品或其他仪器费用偏高；因为基因功能未知，所以在实验研究的过程中，敲除掉了一些有特殊功能的基因，而若这些基因一旦不存在，细胞就会死亡，这些致死基因就无法研究；有些基因的功能很复杂，当它被敲除掉时，原本是要观察表型判断功能，却会由于此基因功能的复杂性而没能形成容易识别的表型，又或者是其他没被敲除的基因也有和被敲除基因同样的功能，而使表型变化不明显，导致研究进行不顺利；实验易受非同源重组随机插入的干扰，等等。这些不足说明，基因敲除技术虽已发展较为成熟，但科学家们需要进一步努力，使之更加完善。

5.基因敲除的应用

5.1在培育动植物方面的应用

基因敲除技术已经在动植物身上有了研究成果，现已可用基因敲除技术使一些转基因动植物的生产性能、抗病力等获得重大的提高，为人类提供所需要的优良品种。

5.2在医学方面的应用

现阶段人类对很多疾病还是束手无策，而基因各项技术的逐步发展都是非常漫长的，需要科学家的努力，所以在这个过程中，人类疾病的动物模型就显得非常重要，若将这些实验结果慢慢作用于人类身上，则为人类的各种疾病获得更好的治疗是指日可待的。

5.3在食物方面的应用

基因敲除技术在动植物，尤其是食用性的植物或动物身上的研究结果，都是为了获得某型更优良的性状，可以为人类提供更优质的食物。

5.4在微生物育种方面的应用

近些年来，微生物在解决人类粮食、能源、健康和环境保护等方面问题的作用越来越重要，但随着社会进步和科技发展，微生物育种遇到了很多难题，而基因敲除技术已在这个领域被广泛应用。具体应用于构建具有特定突变的工程菌，改变生物代谢途径，阻断副反应的进行，防止副产物或有毒产物的形成，等等。[9]

6.基因敲除的前景

基因敲除技术从20世纪70年代发展至今，在很多领域已经占据了其他技术不能取代的地位，其克服了随机整合的盲目性和偶然性，是一种理想的修饰和改造基因的方法。它有广阔的发展前景，这就需要科学家们共同努力。人类基因组计划的启动，包括人类基因图谱的绘制完成，人类对未知基因的功能探索和研究将成为21世纪的热点领域，这项技术会越来越成熟，会对全人类作出更多更大的贡献。

参考文献：

[1]刘德培，方福德，梁植权.基因敲除[J].生理科学进展，1995（01）.

[2]黄敏.基因敲除技术及其应用[J].广东轻工职业技术学院学报，2009（04）.

[3]王向东，童坦君.基因打靶及其应用[J].生物化学与生物物理进展，1996（06）.

[4]石东乔.“基因敲除”研究进展[J].自然杂志，1996（01）.

[5]李今煜，陈健铭，彭振坤.几种常见的基因敲除技术[J].武夷科学，2007（00）.

[6]陈其军，肖玉梅，王学臣等.植物功能基因组研究中的基因敲除技术[J].植物生理学通讯，2004（01）.

[7]田三德，孙鹏.基因打靶技术及其应用[J].陕西科技大学学报，2003（04）.

[8]詹振宏，吴伟伟，田月珍等.基因打靶技术的研究进展[J].中国畜牧兽医，2011（02）.

[9]张红岩，申乃坤，周兴.基因敲除技术及其在为生物育种中的应用[J].酿酒科技，2010（04）.

通讯作者：王晓敏