Cell:动物模型构建的革命

　　美国怀特黑德研究所创始人Rudolf Jaenisch，曾在1974年成功构建出第一只转基因小鼠，由此改变了遗传学的研究模式。近日，他的团队在《细胞》（Cell）杂志上发表的研究成果或将再次彻底改变遗传工程动物模型的构建方式。

　　美国怀特黑德研究所创始人Rudolf Jaenisch，曾在1974年成功构建出第一只转基因小鼠，由此改变了遗传学的研究模式。近日，他的团队在《细胞》（Cell）杂志上发表的研究成果或将再次彻底改变遗传工程动物模型的构建方式。
 
■本报记者 王庆
 
上世纪70年代，美国怀特黑德研究所创始人Jaenisch通过将SV40 病毒的DNA注射到小鼠的囊胚中，构建了第一只转基因小鼠，从而改变了遗传学研究模式。
 
这一次，他又为动物模型构建带来了革命性进展。
 
“这种新方法颠覆了游戏的规则。我们现在可以在3~4周的时间内构建出携带5种突变的小鼠，而采用传统的方法则需要3~4年的时间。并且这种方法相当简单，甚至比传统的方法还要简单得多。”Jaenisch说。
 
中美奥达生物技术（北京）有限公司上游工艺开发部主管散丹对此评价道，该研究进一步将靶向基因操纵推向高潮，使得多个基因敲除、敲入变得更为简单、高效，是转基因动物模型构建的里程碑，它有潜力让人们对人类遗传特征和疾病研究产生新的认识。
 
传统方法局限多
 
那么，Jaenisch提到的传统方法有哪些短板呢？
 
源于上世纪的传统模式，是利用显微注射的方法，将外源DNA片段导入小鼠受精卵的原核中。“而该方法只能将外源DNA片段导入动物基因组中，无法对体内基因组的特定序列进行特定地修饰。”赛业（广州）生物科技有限公司技术副总裁欧阳应斌表示。
 
上世纪80年代后期，小鼠ES细胞及同源重组技术的发展催生了基因打靶技术，使得科学家们可以对小鼠的任何基因序列进行随意地修饰。
 
但这一方法的缺点同样明显。
 
欧阳应斌指出，利用此技术制备基因工程动物模型花费较大、过程较长，而且由于基因的修饰是在ES细胞中进行，目前用基因打靶技术只能用于制备基因改变的小鼠和大鼠动物模型。
 
近几年，生物学家们发现，两种人工改造过的核酸酶ZFN和TALEN能够识别并结合指定的基因序列位点，高效精确地切断。随后，细胞利用天然的DNA修复过程来实现DNA的插入、删除和修改。
 
ZFN和TALEN技术结合了原核注射制备周期短和基因打靶技术定点修饰的特点，而且可以应用到除小鼠和大鼠之外的其他动物。
 
“但ZFN和TALEN必须是两个功能体各识别一段序列，之后形成二聚体，进行剪接，1次只能编辑1个靶位点，若要获得多个靶位点都被编辑的小鼠需要3~4年。”散丹对《中国科学报》记者说。
 
基因组编辑现新星
 
Jaenisch团队的研究成果则有效解决了上述难题。他们正是借助了基因组编辑工具新星——CRISPR/Cas系统。
 
CRISPR是细菌用来抵御病毒侵袭、躲避哺乳动物免疫反应的基因系统。科学家们利用RNA引导Cas9核酸酶可在多种细胞的特定基因组位点上进行切割、修饰。
 
“与ZFN/TALEN相比，CRISPR/Cas更易于操作，效率更高，更容易得到纯合子突变体，而且可以在不同的位点同时引入多个突变。”欧阳应斌说。
 
散丹认为，CRISPR/Cas系统作为基因组编辑的新型强大工具，将令动植物育种、干细胞定向分化、遗传疾病定点修复等在未来2~3年内得到迅猛发展。
 
例如，由于CRISPR/Cas系统具有更强的扩展性，没有物种的限制，若用该系统在农作物和生产性动物的细胞中进行基因组编辑，可能获得高品质的胚胎，使农作物和生产性动物更加有效地抵抗疾病，收获到多产量、优品质的动植物农副产品。
 
而该研究成果在医疗健康方面的应用前景则更令人兴奋。
 
科学家利用此技术将可能激活小鼠、猪或斑马鱼靶基因，来研究早期胚胎发育和成年生活的遗传特征。在遗传组成上，这些动物与人类拥有大约90%的相同性，研究它们的发育有助于认识人类的疾病。
 
还有研究认为，大多数癌症是随时间的推移而发生的基因零星突变所致，上述研究可能促使人们能够操纵这些基因。
 
此外，鉴于很多疾病都是多基因突变共同作用引发的疾病，为了鉴别突变的因果关系，研究者必须同时进行基因组中多个突变的研究，此系统能够使这种多突变研究变得更简单、更省时和更安全。
 
药品的开发和评价都基于转基因小鼠模型。快速有效地开发新的转基因小鼠模型已经成为国内外许多实验室的主要课题。
 
“无论是ZFN 还是TALEN，都需要针对不同靶点改变核酸酶前面的识别序列，这些识别序列的合成或组装耗时耗力且费用很高。”散丹说，“Jaenisch团队的研究实现了快速、高效、稳定的转基因小鼠建立方法，可以降低药物开发的成本，增加药物开发和评价的灵活性和可靠性，无疑将促进制药领域的发展。”
 
未知因素待消除
 
当然，正如任何事物都有待检验一样，CRISPR/Cas同样面临不少未知因素。
 
“其中最为关键的就是缺乏大量基础性研究，需要进行更多研究工作，提高该系统的精确性。”散丹说。
 
在免疫原性方面，散丹分析道，人们不能预期引入的CRISPR/Cas9蛋白是不是会引起免疫系统的攻击。CRISPR/Cas是在细菌中发现的，可能在临床治疗中存在问题。到目前为止，这样的技术似乎只能用于那些可以从病人体内抽取出来的细胞，对它们进行体外操作，再注入病人体内。
 
“CRISPR/Cas系统操作在人体细胞内到底精确程度如何，也必须小心评估。”她说，“因为极少的错误也可能导致产生细胞癌变等严重的后果，所以将CRISPR/Cas9用于疾病治疗还有很长的路要走。”
 
此外，另一个未知因素是CRISPR/Cas在全基因组DNA中的特异性。
 
若应用于实际的科研或医疗中，该系统还需要有高度的特异性，即避免错误的酶切。事实上，CRISPR/Cas系统进行DNA剪切的准确性还未达到人们的预期。这些非特异性均可能带来毒性。如何设计出脱靶效应最小化、高精确度的CRISPR/Cas将是研究方向之一。
 
“然而，尽管关于CRISPR/Cas系统的设计和使用仍有很多方面需要完善，但其巨大的潜力的确令人期待。”散丹说。