您当前的位置:首页 >> 科技中心 >> 科技进展 >> 其他 >> 正文
转基因动物技术及其研究进展
日期:2012-10-29 作者:谢莲萍 来源:畜牧与饲料科学 点击:
 
    从目前的生物技术发展趋势可以看出,转基因动物的研究和应用将是21世纪生物工程技术领域最活跃、最具有应用价值的内容之一。转基因动物在生物医学研究、畜牧和渔业生产上都具有重要的意义和应用价值。在医学上,转基因动物可用于疾病模型和器官移植等。在畜牧业上,转基因技术可以用来改善动物的遗传性状和生产性能,例如提高奶、肉、皮毛品质(例如生产人乳化牛、羊奶)和产量等、加快动物生长速度,低成本生产高价值蛋白质或者多肽类药物,增强动物对疾病的抵抗力,减少动物排泄物对环境的污染。在渔业上,转基因技术可用于提高鱼类的生长速度,同时在提高鱼类的抗性方面,抗冻蛋白基因可被用来提高鱼类的抗寒能力。但转基因动物在食品工业中的应用尚受到较大的制约,其根本原因是转基因动物的开发投人很大,而成功率却比较低。尽管如此,该项技术还是初步显示出了其在工业、农业及医学等行业中的巨大应用潜力和发展前景,将会给人类带来巨大的经济效益,并推动社会向前发展。相信在不久的将来,转基因动物生产将会成为一种新兴产业。因此,充分利用转基因技术的潜在价值,实现转基因技术实用化、商业化和转基因动物的产业化,是21世纪生物科学工作者努力的目标。
1 转基因动物技术研究概述
1.1 转基因动物技术概念 转基因动物是指用实验导入的方法使外源基因在染色体基因组内稳定整合,并能遗传给后代的一类动物。
    动物转基因技术以基因工程、细胞工程和胚胎工程为基础。将外源基因导入动物的基因组并获得表达,由此产生的动物称为转基因动物。转基因技术利用基因重组,打破动物的种间隔阂,实现动物种间遗传物质的交换,为动物性状的改良或新性状的获得提供了新方法。作为基因工程技术之一,动物转基因同样需要目的基因、合适的载体和受体细胞。
1.2 转基因动物技术研究现状 早期的研究主要是外源DNA在微生物中的表达,而将外源基因转入动物体,使其在动物体中进行表达的研究近年来也方兴未艾,有着十分广阔的应用前景。经过数年的努力,科学家已经找到了转移外源基因的可靠方法,并证明了遗传的统一性。既无论是微生物来源的基因还是动植物来源的基因,它们在动植物基因组中都可以有效地表达。
    美国科学家jaenisch等人在1974 年最早把猿猴病毒40(SV40)注入小鼠囊胚腔中,得到部分体组织中含有SV40DNA的嵌合体小鼠。在1976年他们建立了世界上第一个转基因小鼠系,这些小鼠基因组中插入了奠氏白血病病毒基因。他们是运用反转录病毒与小鼠卵裂球共培养把外源DNA插入到小鼠的基因组中。1980年,Gordn等把SV40DNA显微注射到小鼠受精卵的原核中,获得了2只转基因小鼠,创建了显微注射转基因方法。1982年,Palmiter和Brinste用该方法把大鼠的生长激素基因导入小鼠受精卵,获得了成年体重是对照组小鼠2倍的“超级鼠”,首先证明外源基因可在受体中表达,并且表达产物具有生物活性。该结果发表后,哺乳动物的转基因技术引起生物学界的广泛重视并得到迅速发展。转基因家兔、绵羊和猪(Hammer等,1985)、牛(Bondioli等,1988)和山羊(Ebert等,1991)等相继出世。1987年世界上第一只商业化转基因绵羊在英国著名的罗斯林研究所诞生。1997年2月英国罗斯林研究所维尔穆特博士及其领导的科研组公布了体细胞克隆羊“多莉”培育成功,以上都是转基因动物技术在应用上取得的突破进展。
2 转基因动物技术
2.1 转基因动物技术导入外源基因的方法和步骤
2.1.1 转基因动物技术导入外源基因的方法:①显微注射法:这是使用最早、最常用的方法。这种方法用显微注射器直接把外源DNA注射到细胞核或细胞质中。②病毒载体法:许多动物病毒在感染宿主细胞后会重组到宿主的基因组中。更重要的是动物病毒基因组的启动子能被宿主细胞识别,可以引发导入基因的表达。由于这些特征,一些病毒被选择作为目的基因的载体感染动物细胞,以期得到转化细胞。③脂质体介导法:用脂质体作为人工膜包裹DNA,以此作为载体将外源DNA导入细胞。④精子介导法:成熟的精子与外源DNA共育,精子有能力携带基因外源DNA进入卵母细胞里,并将外源DNA整和到染色体中。这就使人们看到了提高动物转基因效率的希望。⑤胚胎干细胞法:胚胎干细胞是从早期胚胎的内细胞团经体外培育建立起来的多潜能细胞系,被公认为转基因动物、细胞核移植、基因治疗的新材料,具有广阔的应用前景。
2.1.2 转基因动物技术导入外源基因的步骤:①外源目的基因的制备。②外源目的基因有效地导入受体生殖细胞或胚胎干细胞。⑨选择获得携有目的基因的细胞。④选择合适的体外培养体系和宿主动物。⑤转基因细胞胚胎发育及鉴定和筛选所得的转基因动物品系等”。
2.2 转基因动物技术的应用 最早问世的转基因动物是转基因小鼠。转基因小鼠证明了生物技术可以改变天然属性,从而显示了动物转基因技术的广阔前景。目前已有转基因鱼、鸡、牛、马、羊等多种动物成功的报道。
2.2.1 转基因鱼:20世纪80年代中期,国内外开始转基因鱼的研究。鱼类因其产卵量大、体外受精等特点,大大简化了转基因操作的步骤。我国学者朱作言首次用人的生长激素基因构建转基因金鱼,目前已有鲫鱼、鲤鱼、泥鳅、大马哈鱼、鲶鱼、罗非鱼、鲂鱼等各种淡水鱼和海水鱼被用于转基因研究。转基因鱼的研究主要集中在提高生速度和抗逆性上,以及发育生物学和插入突变等方面的研究。已有哺乳类动物和鸟类的基因被成功地整合到鱼类的基因组中。在提高鱼的生长速度方面,已经有转生长激素基因鲤鱼,而且其生长速度明显地提高了,显示出转基因鱼在渔业生产和水产养殖业的潜在经济价值。在提高鱼的抗性方面,抗冻蛋白基因被用来提高鱼类的抗寒能力。生长在北美的美洲拟鲽的抗冻蛋白基因导入虹鳟的细胞系并检查到该基因的表达;美洲拟鲽的抗冻蛋白转到鲶鱼卵中,也检查到该基因的表达。
2.2.2 转基因家畜:家畜的转基因研究是从小鼠的有关实验中得到的启示,进展较快。转基因猪、牛、马、羊、兔等家畜的研究成果不断推出,并逐步走出实验室进入实用阶段。哺乳动物体外受精和胚胎移植技术为转基因家畜的成功提供了有效的技术手段。转基因家畜除了与其他转基因农业动物一样把提高抗病性:和生产性能作为主攻方向以外,还因其与人的生物学相似性,在器官移植、药物生产和特殊疾病模型等方面也显示出特殊的应用价值。
2.2.3 转基因动物在医学领域中的应用:转基因动物可作为动物模型运用于疾病诊断、治疗转基因动物模型是一种层次较高的研究体系,通过精确地失活某些基因或增强某些基因的表达来制作各种人类疾病的模型。其过程引入了时间和空间的因素,建立起了一个立体的实验体系,不但能从动物整体水平和组织器官水平进行研究,还可深入到细胞水平和分子水平,而且所研究的问题都是在活体动物中进行,可按照人们的愿望进行设计和培育。又因为这样可保证类似体内的各种背景因素仍然存在,所以研究的结果通常具有较高的真实性。利用基因敲除技术已经制作出了许多的特定基因功能缺失的小鼠模型,用于研究疾病的发病机理及质量方法。转基因动物技术在医学上另一个有利用前景的领域是器官移植供体的开发,同种器官移植的成功挽救了许多危重病人的生命,但是可用于移植的供体器官来源严重不足。在美国每年有6万人需要做心脏移植手术,并且每18min就有可能增加1人,但只有2000人能获得新的心脏。这使得人们不得不重视异种器官移植,这是解决器官移植短缺的最有效途径。
3 转基因动物研究与应用存在的问题
    转基因动物具有良好的应用前景和广阔的发展空间,但转基因动物的发展目前受到多方面因素的影响,存在不少的问题。
3.1 制作转基因动物效率极低 这是目前几乎所有从事转基因动物研究的实验室面临的问题,也是制约这项技术广泛应用的关键。总体上讲,小的实验动物转基因阳性率高于大家畜,以显微注射法产生的转基因动物为例,统计资料表明,小鼠转基因动物阳性率为2.6%,大鼠为4.4%,兔子为1.5%,牛为0.7%,猪为0.9%,绵羊为0.9%,其中显微注射造成胚胎的死亡可能是其中极重要的原因。
3.2 难以控制转入基因在宿主基因组中的行为,有可能引起宿主细胞基因变异 转入基因宿主基因组中的插入是随机的,这种行为可能导致内源基因的破坏或失活,也可能激正常情况下处于关闭状态的基因,其结果便导致转基因阳性个体出现不育、胚胎死亡、四肢畸形、足趾相连等异常现象。Palmiter等报道,转hGH基因的小鼠中,由于GH水平过高抑制了黄体的功能,从而使母鼠出现不孕:Overbeek等将罗氏肉瘤病毒的长末端重复序列与细胞氯霉素乙酰转移酶基因组成的融合基因,显微注射到原核期小鼠胚胎后移植,其中整合外源基因的部分胚胎出现胚胎死亡现象,而出生的转基因小鼠出现了足趾相连的现象。
3.3 大部分转基因表达水平极低,而极少部分转基因表达水平过高 由于面临所说的位点效应的影响,大部分转基因表达水平低得难以检测,而个别转基因的表达水平过高。如Wrigt等制作的hAl2AT基因绵羊,其中1只转基因羊在产羔后分泌的乳汁中hAl2AT的水平高达60g/L,泌乳中期乳汁的hAl2AT水平仍维持在35g/L,外源基因的这种高水平表达是宿主动物难以承受的。
    虽然目前存在种种问题,但转基因动物研究业已在农业及医药行业显示出巨大的应用潜力和发展前景,相信在不久的将来转基因动物生产将会成为生产行业中的一大景观,其产品开发将形成一种新兴的产业。
4 应用前景
    目前动物转基因技术发展迅速,转基因的成功效率和对转入外源基因的调控能力不断提高。把基因打靶技术和体细胞克隆技术结合起米,为转基因动物的制备提供了一个良好的平台。通过进一步发展克隆技术特别是动物胚胎干细胞分离,可以进一步提高克隆动物制备和转基因技术的效率。通过发展基因打靶技术,则可以完善外源基因的表达调控,实现时空和可控表达,而将基因打靶与RNA干扰结合转基因技术,为获得对于特定基因进行表达的可控、可逆等精细调控提供了新的途径。可以预见,通过灵活应用各种生物技术,在不远的将来即能发展出更新、效率更高和更加方便快捷的转基因技术,用于制备新颖的转基因动物,更好地应用于动物新品种培育、医学疾病模型研究和生物制药等领域。
5 结语
转基因动物技术是现代生物技术发展的必然结果。转基因动物技术能创造出具有高产、优质、高效的动物新品种,为人类带来巨大的经济财富,它的应用领域甚广,但与此同时也存在一些问题。所以,人类要正确看待这些问题,进而采取相应的措施解决它。
采编 :guoq
 
注:本网站为公益性网站,若单位或个人不同意刊载本信息请与本站联系。
 
 
版权所有:北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所
电 话: 010-51503304 地 址:北京市海淀区板井曙光花园中路9号
京ICP证090834号 京ICP备09053977号-3 京公网安备11010802014047