转基因动物与动物生物反应器

转基因动物（transgenic animal）的概念

指借助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 分裂而扩增，在体内表达，并能稳定的遗传给后 代的动物。
即指基因组中整合有外源基因的一类动物。 整入动物基因组的外源基因被称为转基因
(transgene)。
从转基因动物所获得的资料几乎涉及医学遗传、 肿瘤学、免疫学等的基因研究，还涉及生物药物 的研究，基因治疗的开发研究等。

目前建立转基因动物的主要策略有两种：


一种是让转基因在动物体内过度表达的方法。最 常用的是显微注射方法。转基因可用基因本身的 启动子，也可拼接组织特异性表达的外源启动子； 可转入单基因，也可转入双基因。 另一种方法是让基因在体内灭活，丧失其功能， 即基因敲除技术。这就是近年来发展的用胚胎干 细胞进行基因打靶技术，以产生基因缺陷的转基 因动物。
基 因 打 靶 流 程 图
• 基因打靶的产生和发展建立在胚胎干细胞技术和 同源重组技术成就的基础之上，并促进了相关技 术的进一步发展。 • 基因打靶的研究进展迅速，给现代生物学和医学 研究带来了革命性的变化，并直接引发了现代生 物学和医学研究各个领域中许多突破性的进展， 成为后基因组时代研究基因功能最直接和最有效 的方法之一。

将携带有外源基因的ES细胞注入到动物的早期 胚胎内，可产生嵌合体及转基因动物。
胚胎干细胞法制备转基因动物的方法:




通过电穿孔等基因转化技术将DNA转入体外培养的 ES细胞。 在体外经过适当的筛选和鉴定，将所得到的符合 设计要求的细胞克隆。 经过囊胚腔注射等方法注入受体囊胚。 将受体囊胚移植入假孕母体子宫，继续发育产生 嵌合体; 再利用生殖系嵌合子代，设计适当的交配育种,获 得纯系转基因动物。
缺点：

2 逆转录病毒感染法



逆转录病毒(retrovirus)作为转基因载体是目前 应用较成功的一种基因转移方法。 主要是利用逆转录病毒的长末端重复序列 (LTR) 区域具有转录启动子活性的特点，将外源基因连 接到LTR下游进行基因重组后，再包装成为高浓度 病毒颗粒，去直接感染受精卵或显微注入囊胚腔 中。携带外源基因的逆转录病毒DNA可以整合到宿 主染色体上。 由于反转录病毒的高效率感染和在宿主细胞DNA中 的高度整合特性，可大大提高基因转移的效率。

Expression of Exogenous Genes
这一方法的实验程序如下：
（1）目的基因的制备与纯化
通过酶切方法获取DNA，以质粒作为载体，转
化到 E.coli 扩增质粒，分离纯化重组质粒DNA，酶
切为线状基因片段。
（2）准备卵供体母鼠和假孕母鼠（养母）
超排卵处理供体母鼠，与正常雄鼠结合；假
缺点：
ES细胞系建立及培养困难
维持ES细胞的未分化及多向分化潜能不易
动物育种需经过嵌合体途径，受ES细胞的生殖嵌 合能力以及交配机率的影响，实验周期较长。
目前，胚胎干细胞介导法在小鼠上应用比较 成熟，在大动物上应用较晚。
精子载体法

近年来利用精子作为外源基因载体来建立转基因 动物较为令人注目。 将精子与外源DNA进行预培养之后,使精子有能力 携带外源基因进入卵中,受精后进行胚胎移植,这 样产生的动物也会使外源基因得到表达。 精子携带DNA主要是通过三种途径来完成,即将外 源DNA与精子共孵育、电穿孔导入法和脂质体转染 法。
基因治疗：针对的是疾病的根源——异常
的基因本身。


治疗方法有二种：
基因工程细胞植入法（In vitro） 从患者体内取出有基因缺陷的细胞进行培养， 利用基因转移进行遗传修正，然后将修正后的细 胞进行选择和培养，通过移植的方法再转入患者 体内。临床实际应用存在一定困难。产业化生产 的可能性小。

基因直接导入法(In vivo) 将具有治疗功能的基因直接导入病人的靶细 胞中。临床应用方便，产业化生产可行。
转基因动物的制作方法
1、受精卵雄原核显微注射法 2、胚胎干细胞（ES细胞）法 3、逆转录病毒感染法 4、体细胞核移植法 5、精子载体法
1、雄原核显微注射法

以单细胞受精卵为靶细胞，利用显微注射技术 将构建好的载体DNA直接注射入受精卵的雄原 核，再将接受注射的受精卵移入假孕母体输卵 管继续发育获得转基因动物个体。 目前应用较广泛，最早最经典的方法。
Injection of ES cells into blastocysts
优点：
外源基因整合情况的可控性高。 可预先在细胞水平检测外源基因的拷贝数、定 位、表达的水平及插入的稳定性。
外源基因导入ES细胞的方法多样，细胞鉴定及 筛选方便。
该方法遗传修饰能力强且十分精确,基因 转移操作简便,具有良好的应用前景。
第九章 转基因动物与动物生物反应器


转基因动物 转基因动物培育技术 转基因动物的应用 动物乳腺生物反应器
转基因动物
转基因超级鼠
1982年，英国的《自然》杂志发表了一篇文章：有两个美国实 验小组利用转基因技术，将大鼠生长激素重组基因导入到小鼠 受精卵中，培育出具快速生长效应的“转基因超级鼠”。转基 因鼠比与它同胎所生的小鼠生长速度快2～3倍，体积大一倍。


优点：

精子载体法涉及的基因转化方法简便，效率高;

动物育种不经过嵌合体,实验周期短,尤其对于大 家畜的转基因研究具有潜在意义。
缺点：

但该法和“受精卵显微注射”途径一样具有目的 基因整合的随机性、无法早期验证修饰事件等不 足之处。
体细胞克隆法



首先要将目标基因转移到体外培育的动物体细胞 中,筛选出阳性转基因细胞并进行繁殖,制备出供 移植用的细胞核供体。 将转基因细胞核供体移植到去核的卵母细胞中,重 构胚胎经过激活和培养后, 移植到代孕动物中。 该法将体细胞核移植技术与转基因技术结合起来。 Wilmut研究小组通过体细胞核移植,率先在世界上 培育了表达人凝血因子的转基因克隆绵羊。
（2）人类疾病的转基因动物模型研究
转基因动物模型被认为是遗传学研究中继连
锁分析、体细胞遗传和基因克隆技术之后的第
四代技术。 将产生某些疾病或遗传病的基因作为外源基因,构 建出人类疾病和遗传病的转基因动物模型, 帮助 人们研究疾病的发生机制和发展过程。


应用致癌病毒和细胞的癌基因培育转基因小鼠,为 肿瘤研究提供了新的途径。 目前, 已经培育出了动脉粥样硬化、镰刀形红细 胞贫血症、痴呆症、自身免疫病、淋巴系统病、 真皮炎及前列腺癌等多种疾病的模型动物,为这类 疾病的研究提供了方便。


与常规育种技术相比，转基因动物育种具 有：周期短、成本低、选择效率高、不受 有性繁殖的限制等。 是转基因动物最具经济开发前景的领域之 一。

（4）人体器官移植


异源器官移植可能是解决器官短缺的有效途径。 狒狒器官太小，无法长期维持人的生命； 黑猩猩太珍稀； 灵长类动物都可能含有传染病因子。 在其他非灵长类动物中，猪在许多理性方面与人 类具有较多的相似性。 因而猪在提供人类移植所用的器官方面成为 首选的供体（免疫排斥转基因猪）。目前，实施 器官移植数量最多的是肾移植。


转基因技术克服了物种之间的生殖隔离，实现了 动物物种之间遗传物质的交因可能只整合入动物 的部分组织细胞的基因组，也可能整合进动物所 有组织细胞的基因组中。 我们把只有部分组织的基因组中整合有外源基因 的动物，称为嵌合体动物(mosaic animals)。 嵌合体动物只有当外源基因整合进去的"部分组织 细胞"恰为生殖细胞时，才能将其携带的外源基因 遗传给子代；否则，外源基因将不能传给子代。

Gordon等首次成功地将含有HSV和SV40 DNA片段的 重组质粒DNA以显微注射法导入小鼠受精卵的雄原 核内，得到了带有这种外源DNA顺序小鼠。 1982年，Palmiter等运用此法得到的所谓“超级 巨鼠”,曾引起整个生物学界的轰动。


到目前为止，人类已获得转基因鱼、鼠、羊、猪、 兔、牛等等大小动物。
（5）基因治疗
是将人正常基因或有治疗作用的基因通过一 定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发 挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学 高技术。

基因治疗有二种形式： 一是体细胞基因治疗，正在广泛使用；
二是生殖细胞基因治疗，能引起遗传改变而受到 限制。

常规治疗：对疾病的治疗针对的是由基因 异常而导致的各种症状；
（6）基因打靶
就是通过同源重组，将外源基因定点整合入靶细 胞基因组上某一确定的位点,以达到定点修饰改造

染色体上某一基因的一项技术。

它克服了随机整合的盲目性和危险性,是一种理想
的修饰、改造生物遗传物质的方法。

包括：基因剔除技术与基因替换技术


基因剔除技术（knock out of gene） 利用基因同源重组，用无功能的外源基因转 入细胞，与基因组中同源序列进行同源重组，把 具有功能的同源序列置换出来，造成功能基因的 缺失或失活，这一技术也叫基因敲除。 基因敲进（knock in of gene） 利用基因同源重组，将外源有功能的基因转 入基因组中，与其基因组中同源序列进行同源重 组，把原来的同源序列置换出来，并使外源基因 在细胞内获得表达，这一技术称为基因敲进。也 称基因替换。





动物所有细胞均整合有外源基因，则具有将外源 基因遗传给子代的能力，通常被称为转基因动物。 一般用胚胎干细胞法或逆转录病毒载体法制备的 第一代转基因动物均为嵌合体动物，而显微注射 法得到的第一代转基因动物中，也有20％为嵌合 体动物。 当外源基因在转基因动物体内表达，并培育出其 表型与人类疾病症状相似的动物模型，则称其为 转基因动物模型。