条件性敲除的原理

条件性敲除的原理（图2，3）：

利用Cre／LoxP 和来自酵母的FLP—frt 系统可以研究特定组织器官或特定细胞中靶基因灭活所导致的表型[7]。通过常规基因打靶在基因组的靶位点上装上两个同向排列的1oxP，并以此两侧装接上loxP 的(“loxP floxed”)ES 细胞产生“loxPfloxed”小鼠,然后，通过将“lo xP floxed”小鼠与Cre 转基因鼠杂交(也可以其他方式向小鼠中引入Cre 重组酶)，产生靶基因发生特定方式(如特定的组织特异性)修饰的条件性突变小鼠。在“loxP floxed”小鼠，虽然靶基因的两侧已各装上了一个loxP，但靶基因并没有发生其他的变化，故“1oxP noxed”小鼠表型仍同野生型的一样。但当它与Cre 转基因小鼠杂交时，产生的子代中将同时带有“loxP floxed”靶基因和Cre 基因。Cre 基因表达产生的Cre 重组酶就会介导靶基因两侧的1oxP 间发生切除反应，结果将一个loxP 和靶基因切除。这样，靶基因的修饰(切除)是以Cre 的表达为前提的。Cre 的表达特性决定了靶基因的修饰(切除)持性：即Cre 在哪一种组织细胞中表达，靶基因的修饰(切除)就发生在哪种组织细胞；而Cre 的表达水平将影响靶基因在此种组织细胞中进行修饰的效率。所以只要控制Cre 的表达特异性和表达水平就可实现对小鼠中靶基因修饰的特异性和程度[9,10]。

在生理学研究中，为了明确某一组织或器官的功能，常将实验动物体内所要研究的组织或器官切除，进而根据实验动物的生理指标或功能的变化来推测切除部分的功能。生命科学发展到今天，人们对于生命现象的认识已经逐步深入到了分子水平，而上述的“部分切除—观察整体—推测功能”的研究思想仍然有效。具体地说，就是在分子水平破坏想要研究的基因，然后观察生物体的生理指标、功能、整体形态、组织结构、发育过程的变化等，进而推测相应基因的功能。这种研究过程称为基因敲除(gene knock out)。此外，为了研究某种疾病与某个基因之间的关系，常向生物体内人为引入某个基因，然后观察实验动物出现的各种变化，从而推测疾病与基因的关系，这种研究方法称为基因敲人(gene knock in)。

实现基因敲除的方法有多种，但基本上都是采用同源重组或随机整合的方法，让一段没有生理功能的DNA片段在细胞内取代正常基因，从而破坏正常基因的功能。基因敲除主要是在胚胎干细胞(embryonic stem ceils，ESC)水平进行操作。胚胎干细胞是早期胚胎细胞经体外培养建立的全能细胞系，在体外培养时保持了未分化状态，可以传代增殖，在发育上类似于早期胚胎细胞团的细胞，具有与早期胚胎细胞相似的分化潜能和正常整倍体核型两大特点，是研究哺乳动物个体发育、胚胎分化以及性状遗传机制的理想模型。首先在这种细胞内进行分子水平的基因操作，之后再使这种已经发生了基因改变的细胞发育成为一个完整的生物体。这样就可以在整个生物体内实现预期的基因改变。

基因敲除的具体实施方法可以简述如下：选择需要研究的目的基因的部分或全部DNA片段，通过分子生物学方法使其产生突变，然后与相应的载体进行重组，成为靶载体。分离试验动物的胚胎干细胞，在体外将上述靶载体导人到胚胎干细胞内，使其与细胞内相似或相同的序列进行同源重组，替代细胞内原来的基因。通过一定的筛选方法筛选出发生同源重组的细胞，再将其注入囊胚腔内；把经过上述处理的囊胚重新植入到假孕小鼠的子宫内，使其发育成为一个完整的个体。含有相应突变基因的嵌合体雄性小鼠与正常雌性小鼠进行交配后，通过筛选可获得携带该突变基因的纯合子小鼠。

通过上述方法所获得的基因敲除小鼠模型，其身体的各种组织、器官以及小鼠生存的各个时期都携带有突变基因，相应基因的功能也发生了变化。这是一种非常经典的基因敲除方法，该方法对阐明某些基因的功能做出了十分重要的贡献。但是，对于某些特殊的基因，该方法往往显得无能为力，这些基因在胚胎发育过程中或者在成熟生物体内具有至关重要的功能。当这些基因突变后，胚胎往往不能发育至正常分娩，或者即使能够出生也会因为过于严重的生理缺陷而过早夭亡，无法开展后续研究，或者这些基因突变后影响到实验动物的繁殖功能而不能产生后代，进而不能获得携带突变基因的纯合子动物模型。针对上述问题，近年来出现了一种特殊的基因敲除或敲人方法，被称为条件性基因敲除或敲人(conditional gene kn ock out or knock in)。这种方法是指在特定的组织细胞或者细胞发育的特定阶段敲除某一特定基因的实验技术。其优势在于克服了经典基因敲除手段所遇到的上述问题，对于在特定的组织细胞和(或)特定的时间研究特定基因的功能，以及更好地建立人类疾病的动物模型都具有十分重要的意义。