转基因小鼠的方法概述

转基因小鼠的应用及其制

备方法

学院：动物科技学院

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时间：2015年12月17日

老师，这篇文章是在图书馆《分子生物技术——重组DNA的原理与应用》书上整理下来的，没有参考文献，但是，这一万多字都是自己亲手打下来的，图也是自己用软件画的，其中的原理也都

弄懂，愿老师见谅。

转基因小鼠的应用及其制备方法

（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100）

摘要随着后基因组时代的到来，转基因动物已成为新兴的最有效的实验模型。从上世纪80年代以来，上百个不同的基因已经转入各种品系的小鼠中。这有助于理解基因调控，肿瘤发展，免疫特异性，发育分子遗传学以及人们感兴趣的其他生物学过程。转基因小鼠也已在探索利用家畜进行人类治疗药物工业化生产的可能性，以及建立各种人类遗传病的转基因生物医学模型中起到重要作用。现就制备转基因小鼠的实验方法及应用前景作简单介绍。

关键词医学模型；试验方法；应用前景

Methods and Applications ofTransgenic Mice

(Northwest A&F University,Colledge of Animal Science and Technoledge,Yangling,

Shaanxi,712100,China )

Abstact:Following arrival of the post-genomics era,transgenic animals have become the most effective novel experimental model.Since the 1980’s.Hundreds of different genes have been transferred to the various strains of mice.This helps to understand the gene regulation,tumor development,immune specificity,developmental molecular genetics and other biological processes which people are interested in.Transgenic mice have also been exploring the possibility of using domestic animals for the industrial production of drugs for human treatment,and they also play an important role in establishment of a variety of genetically modified biomedical model of human genetic diseases. The article here is an overview of experimental methods and the application prospect of transgenic mice.

Key words:biomedical model; experimental methods; application prospect

1990年人类基因组计划正式启动，经过13年的努力，人类基因组序列图绘制成功及人类基因组计划的所有目标全部实现。人们迎来一个崭新的时代——后基因组时代，即在基因组静态的碱基序列逐步清楚之后而最基因组进行动态的生物学功能研究。转基因动物在后基因组时代已成为生命科学研究中新

作者简介：本科，动物科学专业。Email:lw5166@https://www.360docs.net/doc/6212835962.html,；Tel：

*通讯作者：E-mail：

兴的最有效的动物实验模型。小鼠是最早建立的转基因动物模型，利用转基因小鼠进行生物学或生物医

学研究是当前生命科学发展的主要内容之一。转基因小鼠是一个思维体系，所研究的问题都是在活体中进行的，类似于人体内的各种背景因素仍然存在，通过这套体系所得出的研究结论具有很高的真实性。因此，其成为生命科学领域中的研究利器。

一、方法学

1.逆转录病毒转染法

1974年，Jaenisch等试图用病毒感染早期胚胎的方式将SV40 DNA肿瘤病毒基因导入小鼠体内，但是这样的基因并没有参与整个发育过程，传代的机会也很小。1976年，Jaenisch又通过反转录病毒感染小鼠的胚胎。

在各种基因转移法中，利用逆转录病毒转染法（图1-1）能够有效地将基因整合在受体细胞基因组上。但缺点是只能导入小片段基因（8kb左右）。由于受到大小的限制，转移的基因可能缺少表达调控序列。

这话总方法还有一个缺陷，虽然这些载体设计为复制缺陷型，但由于产生大量载体DNA所必须的逆转录病毒品系（辅助病毒，helper virus）的基因组，可能和转移的而基因一起整合到同一个细胞核上。尽管有特殊的预防措施，转基因生物仍有可能产生辅助病毒。但是，在应用转基因生物合成商业产品或直接作为食品过程中，必须绝对保证没有逆转录病毒的污染。转基因已有其他可行的方法，因此很少用逆转录病毒转染法来产生具有商业用途的转基因动物。

2.DNA显微注射法

由于逆转录病毒转染法存在的缺点，近来DNA显微注射法是一种建立转基因小鼠的更好的方法。1980年底，Gordon等[4]首次通过显微注射将纯化的外源基因转入到小鼠的受精卵原核，为建立转基因小鼠奠定了基础。1982年，美国学者Palmiter等将大鼠生长激素基因导入小鼠受精卵，培育的21只子代小鼠中有7只含融合基因，其中6只加速生长，即“超级小鼠”诞生了。

这种方法的过程由以下步骤组成[图2-1]

①对供体母鼠进行超数排卵处理，增加用于显微注射的受精卵数。其方法是先给母鼠注射怀孕母鼠的血清，大约48 h后，在注射人绒毛膜促性腺激素。经过处理的小数能产下35枚左右的卵，而正常情况下只有5～10枚。

②与雄鼠交配后杀死这一超数排卵的母鼠，冲洗并收集输卵管中的受精卵。

③通常立即进行受精卵显微注射。注射的外源基因一般是线性结构且不含有原核生物载体的DNA 序列。

哺乳动物中，精子进入卵细胞后，精子细胞核（雄原核，male pronucleus）与卵细胞核独立存在。在卵细胞核经过减数分裂成为雌原核后（female pronucleus）,才会发生核融合（karyogamy）。雄原核一般比雌原核大，使用街铺显微镜就能确定位置。在显微注射中受精卵可以进行显微操作、定位及固定。

将接种后的20～40个受精卵利用显微外科的方法植入受体母鼠体内，这种母鼠与切除输精管的雄

鼠交配后进入假孕状态。对于小鼠来说，交配是已知能使子宫为植入受精卵做好准备的唯一方法。移植3星期后，养母便繁殖出从接种受精卵发育而来的幼鼠。

为了鉴定转基因动物，从小鼠的尾巴提取的DNA进行Southern杂交或者PCR，可以确定转基因的存在。转基因小鼠之间交配以确定转基因是否存在首建鼠（founder）的生殖细胞中，随后，进一步杂交培育出纯合转基因品系。

这种方法虽然简单，但需要许多实验步骤。即使是一个操作熟练的工作人员，最多只能使5%的移植受精卵发育成转基因动物[图2-2]。在这个过程中，没有一个步骤的效率可达100%，因此必须使用大量的受精卵进行显微注射。以小鼠为例，注射后大约有66%的受精卵能够存活，25%的移植卵能够发育成小鼠，而其中约有25%的小鼠是转基因个体。因此从1000个受精卵中，只能产生30～50个转基因小鼠。另外，这种方式注射的DNA随机整合到基因组中，并且常在同一位点以多拷贝的形式存在，所以并不是所有的转基因小鼠都具有预期的特性。某些个体中，由于整合位点的缘故可能使转基因不表达；另一些个体中，拷贝数过多可能导致过量表达，因而扰乱了动物正常的生理功能。尽管这种方法效率那很低，但DNA显微注射法还是建立有功能的转基因小鼠品系的常规方法。

图1-1 利用逆转录病毒载体建立

图2-1 利用显微注射的方法构转基因小鼠品系

转基因小鼠品系

3.工程化胚胎干细胞

从发育的小鼠胚胎中获得的胚胎期（blastocyst stage）细胞,能够在细胞培养基中繁殖，并在导

入另一个胚泡时，保持分化成其他各种类型细胞（包括生殖系细胞）的能力，这类细胞称为全能性胚胎干细胞（ES）。培养的ES细胞易于进行遗传工程改造而不改变其全能性。利用这个系统，有功能的转基因可以整合在ES细胞的基因组中某个非必须基因的特定位点。然后，选择和培养这些基因工程细胞，并用来产生转基因动物[图3-1]。采用这种方法，就可以避免DNA显微注射法和逆转录病毒转染法中随机整合的缺点。

利用染色体特意位置整合的DNA载体转染培养的ES细胞时一些细胞中的DNA整合发生在非靶位点（错误位点），另一些细胞中整合发生在靶位点（正确位点），而大多数ES细胞中根本没有发生整合。采用一种正负选择方法，来富集正确整合的ES细胞。其策略是采用正选择获得正确整合的细胞，而负选择剔除错误整合的细胞。

靶位点必须位于基因组的非必需基因中，这样才能在外院DNA整合后，对细胞发育和功能没有影响。另外，转基因还必须整合在基因组中正常转录的部位。研究人员一直在寻找这种位点。

正负选择方法中应用的DNA载体通常包括：①与靶位点的两个位置同源的两个DNA序列区（HB1和HB2）；②转入的基因（transgene）赋予受体新的功能；③化合物G-418的抗性基因（Neor）；④来自I 型、Ⅱ型单纯疱疹病毒（HSV-tk1和HSV-tk2）编码胸苷激酶（thymidine kinase）的两个不同基因（tk1和tk2）[图3-2（a）].这一序列的组合是这一方法中的关键元素。在于靶位点同源的两个DNA序列间是转基因的G-418抗性基因（Neor gene），两个同源区外是HSV-tk1和HSV-tk2基因。如果整合发生在错误位点（不在HB1和HB2上），HSV-tk基因很可能与其他序列整合[图3-2(a)]。相反，如果整合是通过靶位点双交换的基因重组，HSV-tk基因将被剔除，只有转基因和Neor基因整合在基因组上[图3-2(b)]。转染的细胞在G-418存在情况下生长时，缺少Neor基因的细胞将被杀死。因此，只有整合了目的DNA 的细胞才能存活，这是正选择。同时加入更昔洛韦[9-(1,3,-二羟基-2-丙氧甲基)-鸟嘌呤]和G-418时，由于胸苷激酶能将更昔洛韦转变为杀死细胞的毒素，所以表达胸苷激酶的细胞就会死亡，这是负选择。双重选择下存活的就是正确整合的细胞。虽然并不是很简单，但这种正负选择方法能从ES细胞群体中富集在染色体特定位点整合转基因的细胞。

更为直接判断ES细胞是否在染色体靶位点携带转基因的方法是采用PCR鉴定。这种情况下，DNA 载体含有两段与靶位点同源的DNA区段，分别位于转基因和一段克隆的细菌基因（或人工合成的特有基因，在小鼠基因组中不存在）的两侧[图3-3]。转染ES细胞后，收集细胞，并采用PCR筛选。PCR的一条引物（P1）与克隆载体的细菌DNA序列互补，另一条（P2）与染色体上同源DNA区段相邻的部分序列互补。如果整合发生在随即位点，就不会产生预期的DNA扩增产物[图3-3（a）]。如果发生位点特异性的整合，PCR会扩增出预期大小的DNA片段[图3-3（b）]。采用这种方法，可以从细胞库中鉴定含有在靶位点整合转基因的ES细胞。从细胞库中克隆培养，建立位点特异性整合的细胞株。

培养整合性转基因ES细胞并植入胚泡期的胚胎中，再将这些胚胎移植入假孕的受体母鼠。生殖细

胞中携带转基因的小鼠通过杂交得到转基因小鼠品系。如果有必要的话，继续杂交，产生纯合的转基因小鼠。

转基因通过基因重组插入ES细胞的某个特异的染色体位点，不仅带来新的功能，而且可以将DNA 序列（通常为选择性的标记基因）转入基因编码区，重点干扰某个特定的小鼠基因[图3-4].定点基因干扰（基因剔除,gene knockout）的目的之一是通过使一个特异基因失活来观察对发育和生理方面的影响。另一个目的是希望带有时或基因的转基因品系，研究人类疾病的分子病理学的动物模型。

图3-1 利用工程化胚胎干细胞法图3-2 正负选择法建立转基因小鼠品系

图3-3 PCR鉴定转染细胞中非特异性整合和同源重组

图3-4 定向同源重组阻断基因

4.Cre-loxP重组系统用于遗传改良

转基因小鼠的每一个细胞通常都带有转基因或者通过基因修饰（基因剔除）。尽管如此，建立一种系统，能选择性控制某个基因在体内某些组织或细胞中特异性表达，将会很有用处。为此，从P1噬菌体的遗传元件中发展了Cre-loxP重组系统。

P1噬菌体和λ噬菌体在形态上相似。他们都有一个头，一个尾，还有尾部纤维。P1的基因组长度大约100kb，侵入大肠杆菌后，线性的基因组变成环装，并作为复制的模板。随着不同系列基因的活化，环状DNA既能像质粒一样行使功能，又能作为裂解周期中病毒基因组复制的模板。极少数情况下，环状的P1基因组会整合到大肠杆菌染色体中。P1基因组的环化和整合都需要cre[circularization recombination protein(Cre重组酶)]基因产物的介导，它能特异性剪切和重组在loxP[locus of crossing over (x) in P1,重组位点] 位点的DNA。

一个loxP位点包括两段13bp的反向重复序列，中间由一段8bp的间隔序列隔开[图4-1]。简单地说，Cre-loxP重组会将两个远离的loxP位点相互靠近，其中每一个loxP位点结合两个Cre重组酶分子，并通过Cre重组酶在重复序列之间的间隔序列处剪切、交换和连接DNA链，形成重组DNA分子。重组的结果与loxP位点的重复序列的方向有关。如果重复序列是相反的，通过交换插入了两个loxP位点之间的DNA。如果重复序列是相同的，则删除或切离之间的序列。P1噬菌体中天然存在的重复序列方向都是相反的。当两个loxP位点相距很远时，Cre-loxP重组系统也能发挥作用。例如，P1噬菌体基因组环化所需的两个loxP位点相距大约100kb（千碱基对），Cre-loxP系统的特异性是很高的，因为Cre 重组酶只与loxP位点发生作用。

基于上述特性，开发Cre-loxP重组系统用于小鼠细胞的细胞特异性基因修饰。整个过程的第一步

是分离cre基因，并置于一个组织特异性启动子的调控之下。建立携带有cre基因构件的转基因小鼠品系，并检测确定具有组织特异性的Cre活性。下一步，克隆DNA序列的两段插入两个方向相同的loxP 位点。该DNA片段称为DNA floxed(flanked by loxP site)。含有选择标记基因且两端连上loxP位点的构件通过同源重组整合到胚胎干细胞染色体的一个位点上。细胞经过筛选、培养，建立转基因品系。然后，带有组织特异性cre基因的转基因小鼠与带有loxP位点的构件的转基因小鼠交配。cre基因在双转基因小鼠中表达后，就剔除了两个Cre-loxP位点之间的DNA。[图4-1]。

Cre-loxP技术已广泛应用于研究组织特异性基因失活所产生的生物学效应，以期建立人类疾病研究的模型

利用Cre-loxP重组系统也可以实现较大的染色体畸变（如缺失）。

图4-1特定细胞类型中使基因失活的Cre-loxP重组系统

5.利用大容量载体转基因

一般而言，转基因是互补DNA（complementary DNA,cDNA）、小基因（不大于20kb）或者部分基因。但通常cDNA在哺乳动物细胞中表达效果很差。同样,基因组DNA用来转基因时，上游或下游的基因特异性的重要调控序列很少保留在插入序列中。而且，全基因或复合的多基因（不大于100kb）对于传统的载体来说太大了。由于上述原因，利用大容量载体（如细菌，P1噬菌体，哺乳动物和酵母人工染色体，对应缩写为RAC,PAC,MAC,YAC）来进行转基因，这种载体可以携带100～1000kb不等的基因组DNA。

利用携带一系列相关基因或单个大基因的YAC显微注射受精卵的原核或者转染胚胎肝细胞，可以得到转基因小鼠。这些小鼠可以用来研究发育的过程，并作为人类疾病研究的模型，或者用于生产人类治疗药剂。譬如，人类β-球蛋白基因簇大概有25kb，包含5个不同的功能球蛋白基因。带有人类β-球

蛋白基因簇的转基因小鼠，与人类的组织特异性和时序性表达相对应，在一定时间内组织特异性表达这些基因。这个方法是通过含有启动子区域和其他重要调控元件的两侧DNA序列得以实现的。

另一个YAC转基因的成功应用是产生单纯合成人类抗体的小鼠。理论上，单克隆抗体可以成为减弱癌细胞增殖的有效药剂，也可以作为一种治疗其他人类疾病的手段。但问题在于无法轻而易举地获得认得单克隆抗体。而且，遗憾的是，啮齿动物的单克隆抗体对人具有免疫原性。为此，设计繁琐的重组DNA方法来产生啮齿动物“人源化”的单克隆抗体。这种抗体分子中，只有5%～10%的成分是鼠源的。在很多情况下，这种费力的方法生产出来的抗体与特定抗原的结合能力很低，并且可能引起人体免疫反应。而且，每一种作为治疗药剂的单克隆抗体都必须进行人源化。因此，人们更加欢迎一种更具可行性的，从杂交瘤获得广谱的完全人源化抗体的技术系统。

天然抗体的形成过程是生物学上的一个奇迹。抗体是一个由两对不同链组成的四聚体蛋白。一条链叫做重（H）链，另一条叫做轻（L）链。“重”和“轻”是根据这两个抗体亚基的分子量的大小来区分的。一条特定的重链的遗传信息由B细胞的基因组重排获得，重排的部分包括可变区（VH）、多变区（DH）、连接区（JH）和保守区（CH）的DNA片段（或结构域，domain）。抗体的轻链由两种不同类型（λ和κ），也是通过各自的DNA重排得到的，其中包括可变区（Vλ和Vκ）、连接区（Jλ和Jκ）和保守区（Cλ和Cκ）。一个B细胞只合成一种抗体分子，由一条新的重链和重排的λ链或κ链组成特有的组合。

产生大量不同抗体的基因组合中，重链部分包括95个VH、30个DH和6个JH片段，以及5个主要的保护区（Cα、Cγ、Cδ、Cε和Cμ）。κ基因位点由76个Vκ、5个Jκ和1个Cκ片段[图5-1]。H 和κ基因座位大小约为1～1.5Mb。为了建立合成大量不同的人抗体转基因小鼠，必须先失活小鼠自身的重链和轻链基因，再将携带大量人免疫球蛋白重链和轻链基因的YAC插入小树的染色体DNA。

为此，一组研究人员分别剔除了小鼠的JH和CκDNA序列，然后培育这些基因剔除小鼠，挑选不能合成任何鼠抗体的后代。下一代，构建两个YAC都带有一个标记基因，通过酵母原生质球与胚胎肝细胞的融合进行转染后，筛选携带YAC的胚胎肝细胞。PCR验证插入的序列是否完整。分别将携带重链基因和κ基因的细胞注入胚泡中，通过PCR鉴定出转基因成功的首建鼠。随后这些转基因小鼠与剔除了小鼠重链和κ链基因的小鼠交配，产生的后代继续相互交配，筛选双剔除和双插入的小鼠，即剔除了小鼠的重链和κ链基因，而携带了人类重链和κ链基因的小鼠。利用各种抗原免疫这种产生人类抗体的转基因小鼠后，制备杂交瘤细胞，产生并鉴定单克隆抗体。虽说产生的抗体只针对抗原，但是由于每一个插入的重链和κ链基因可变区数目有限，小鼠不能产生全系列的所有抗体，这个缺点可以通过构建能够携带更多的人重链和κ链基因可变区的YAC来克服。

通过组合四个带有人重链和κ链基因的YAC载体片段，得到一个携带66个VH片段、30个DH片段、6个JH片段以及Cμ、Cδ和Cγ的1000kb大小的YAC。类似的，通过组合3个带有不同的Vκ片段的YAC，得到一个带有32个Vκ片段、5个Jκ片段和Cκ片段的YAC.这些构件转入胚胎干细胞，建立只

产生人类抗体的转基因小鼠品系。这些转基因小鼠能够产生针对每一种抗原的全系列人类抗体。为了验证这一结果，利用三种不同的抗原免疫“产生人类抗体”的转基因小鼠，针对每一种免疫抗原，通过杂交瘤分泌的人单克隆抗体都能与其高亲和性结合。在动物实验中，转基因小鼠中得到的人类单克隆抗体用来结合表皮生长因子，可以抑制过量表达该蛋白的癌细胞的增殖。人类临床试验证明，小鼠中得到的人类单克隆抗体不具有免疫原性。因此转基因系统非常有希望开发成为生产治疗性人单克隆克隆抗体的常规系统。产生人类抗体的商品化小鼠已注册为XenoMouse。

图5-1 人免疫球蛋白κ链和重链基因的示意图

二、转基因小鼠的应用

转基因小鼠可作为一种研究人类疾病生物基础及各种治疗方案的生物模型，也可用于检测潜在的治疗药物的模型系统。这种实验室小鼠称为“智能检测试管”，完整的动物模型可以模拟人类疾病的发生和发展的进程。但即便小鼠是哺乳动物，与人类还是有很大差别，因此医学上转基因模型提供的信息并不总是相关的。因此，建立了诸如阿尔兹海默症、肌萎缩性（脊髓）侧索硬化、亨廷顿舞蹈症、关节炎、肌营养不良、肿瘤发生、高血压、神经退行性病变、内分泌机能障碍、冠心病等其他许多人类遗传疾病的小鼠模型。

1.阿尔兹海默症的转基因模型

阿尔兹海默症（Alzheimer disease）是一种退行性大脑功能紊乱。它的主要特征是逐渐丧失抽象思维能力和记忆力，并伴有性格改变、语言障碍和行动缓慢。虽然60～65以及80岁以上的人群中，存在1%和30%患病的可能，但该病的临床诊断效果很不明显。阿尔兹海默症患者大脑的神经元中的神经纤维缠结积聚；神经节末梢形成的高密度细胞外聚物，称为老年斑新皮质和海马体中的脑细胞（神经元）死亡。老年斑的核心由一个致密的纤维状通常称为淀粉样小体的结构组成。起先认为，淀粉样小体（amyloidbody）是由碳水化合物组成但是越来越多的分析证明，它是一个蛋白聚小体。尽管发现了这个误称，但是“淀粉样小体”一词还是沿用至今。

阿尔兹海默症淀粉样小体中主要的蛋白石一个4kDa的蛋白，称为Aβ蛋白（amyloidβ、β-protein、β-amyloid protein或者β/A4）。Aβ蛋白长度从39～42个氨基酸不等，Aβ40和Aβ42是两种主要的形式。所有的Aβ蛋白都是β-淀粉样前体蛋白（APP）经蛋白水解酶剪切而成。APP蛋白的错误剪切产生了Aβ40和Aβ42，如果这些蛋白不及时清除，就会积聚。一些阿尔兹海默症高发的家族在APP基因上突变，显示该基因的功能可能失常。遗憾的是，以人体为对象研究阿尔兹海默症的发病机理和过程几乎是不可能的。因此，模拟阿尔兹海默症的动物模型，将是极其重要的研究工具。

已经获得许多转基因小鼠，携带神经元特异性启动子调控下的正常APP全基因或部分基因。在大多数的情况下，观察不到淀粉样斑、神经纤维缠结、神经细胞死亡或者行为障碍。但在一些情况下，神经退行性病变和其他的一些特征还是与阿尔兹海默症相似。例如，APP末端100个氨基酸的编码序列和A β蛋白序列组成的转基因，能够产生类似于阿尔兹海默症的组织学特征。

携带APP突变基因的转基因模型是更加令人信服的阿尔兹海默症动物模型。该基因在一些早期（≤50岁）高发阿尔兹海默症的家族中存在。其中一个家族的APP基因的717位（APP-717），苯丙氨酸代替了缬氨酸。在另外一些阿尔兹海默症家族中，APP基因的670位和671位（APP-670/671）分别由天冬酰胺酸和亮氨酸代替了缬氨酸和甲硫氨酸。

由APP cDNA构件带有APP-717突变的基因。在APP cDNA外显子6～7之间、7～8之间以及8～9之间插入了修饰过的内含子，因为实验表明这种基因的转录效率高于未插入的基因。利用大脑组织中表达的血小板源生长因子-β的转基因调控“APP cDNA-内含子”构件。完整的构件称为PDAPP小基因。转基因后，大于6个月的转基因小鼠（带有40个拷贝的PDAPP小基因）会出现淀粉样斑、神经元细胞死亡和记忆力衰退的症状。PP-670/671突变的转基因小鼠，由大脑特异性启动子调控，产生包括表达A β42在内的阿尔兹海默症类似症状。但有趣的是，PDAPP小基因小鼠和APP-670/671转基因小鼠均未表现出神经元纤维缠结。这些结构或许是过量表达Aβ42产生的二级反应。

另外三个基因，突变载脂蛋白E基因ApoE4、早老素基因PS1（presenilin 1 gene）和PS2（presenilin 2 gene）在阿尔兹海默症中也有一定作用。如果ApoE（在脂类运输中起作用的载脂蛋白）座位出现ApoE4等位基因，则个体在60岁发生阿尔兹海默症的可能性大大增加。在早发性阿尔兹海默症的家族中发现早老素基因的突变子。许多研究均表明，PS基因突变使Aβ42集聚增多。例如，带有全长的人类APP 突变基因的转基因小鼠和带有PS1突变基因小鼠杂交得到的双转基因小鼠，在与阿尔兹海默症患者脑部相同的位置生成过量的Aβ42。美国约有400万阿尔兹海默症的患者，每年耗费约1000亿美元。建立动物模型将有助于对该病的有关分子机理的关键问题进行研究。

图1-1 模拟阿兹海默症的转基因小鼠的DNA构件

2.转基因小鼠作为检测系统

转基因小鼠用来监测特定的蛋白能否分泌进入乳汁。例如，研究真实的囊肿性纤维化穿膜调节（cystic fibrosisi transmenbrance regulator,CFTR）蛋白的功能，或验证囊肿性纤维化（cystic fibrosis,CF）的治疗效果，就需要大量的蛋白。每2500个欧洲人就有一个这种遗传病的患者。CFTR 基因突变的初步效应是改变该蛋白作为氯离子通道的功能。如果中断氯离子正常出入细胞，粘液就在一些器官（特别是肺和胰腺）的管腔中积累。这些粘液变成细菌感染的场所，抗生素很难对其进行控制，细菌死后，释放出DNA使粘液变得更粘稠，堵塞了这些器官的管道，从而影响器官的正常功能，因而恶化了CF效应。目前，CF患者的预期寿命一般为25～30岁。

可能由于CFTR在转染细胞的细胞膜上积累造成的生物学效应，CFTR在常规的体外细胞表达系统中的产量很低。如果不断去掉宿主细胞的质膜就可解决这个问题。利用这一系统，异源穿膜蛋白能与质膜释放的碎片结合，而且该重组蛋白的浓缩、纯化过程都将更为直接。事实上，哺乳期间，乳腺细胞即是利用该方法来合成脂肪球，乳腺细胞内的脂肪被质膜包裹后一起以小球的形式分泌到乳汁中。

为了检测这个系统的可行性，将全长的CFTR cDNA序列克隆到缺陷的山羊β-酪蛋白基因中间，该基因在外显子2的末端到外显子7起始端之间有一段缺失。这一构件保留了β-酪蛋白基因的启动子和终止序列。将CFTR cDNA克隆岛结构基因，是为了提供内含子序列，提高转基因的转录效率。哺乳期间，激活并表达乳腺细胞中的β-酪蛋白基因，成为主要的乳蛋白。

已经建立带有CFTR序列的转基因小鼠品系，该基因置于β-酪蛋白基因调控序列的调控之下。正如预期的那样，转基因鼠的乳汁中含有连接在脂肪球膜上的CFTR蛋白。这对母鼠和哺乳的幼鼠并没有产生什么负面影响，经过糖基化的CFTR蛋白，很容易从乳汁中富含脂肪的部分提取出来。该蛋白是否具有功能有待考证。这个实验的成功表明了在乳汁中生产膜连接的蛋白石可行的。哺乳期转基因小鼠已用来合成许多其他可能对人类有治疗作用的蛋白。为了获得大量的CFTR、其他穿膜蛋白或者多种人类治疗用蛋白质，需要将转基因整合到牛、绵阳、山羊等大牲畜的基因组中。

转基因小鼠还可用来验证其他多种设想。例如，奶牛中25%的乳腺炎（mastitis）是由金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）引起的。这种感染具有传播性，极易在整个畜群中传播。奶牛感染后产奶量极易下降。目前，虽然美国每年花费17亿美元用于防治金黄色葡萄球菌引起的乳房炎，但该病的爆发仍然得不到有效控制。如果奶牛能在牛奶中分泌葡萄球菌溶血素（staphylolytic agent）,就有

可能预防感染。为此，选择溶血性葡萄球菌（Staphylococcus simulans）产生的一种蛋白质，溶葡萄球菌素（lysostaphin）就能达到这一目的。溶葡萄球菌素是一种能够特异性攻击金黄色葡萄球菌细胞壁的水解酶。但是，用天然基因转染的真核生物细胞中只能产生无活性形式的溶葡萄球菌素。这是由于其中两个天冬酰胺糖基化的结果。这个问题可以通过体外诱变，将两个天冬酰胺的密码子替换成谷氨酰胺的密码子来解决。经过突变的溶葡萄球菌素在真核生物细胞中合成后不会被糖基化，并完全具有抗金黄色葡萄球菌的活性。

将突变的葡萄球菌素基因置于绵羊β-乳球蛋白启动子的调控下，建立转基因小鼠。在乳汁中大量分泌溶葡萄球菌素的小鼠，大剂量接种金黄色葡萄球菌后不被感染与对照组相比，只产生少量溶葡萄球菌素的转基因品系能够抵御致病剂量的金黄色葡萄球菌的感染。未处理的转基因小鼠非常健康，与对照小组相比，生理和组织学并无差异。因此，理论上，这个系统可望成为控制金黄色葡萄球菌引起的乳腺炎的有效途径。但是，这个方法可能产生抗溶葡萄球菌素的金黄色葡萄球菌，所以可以通过携带其他抗葡萄球菌蛋白的双转或三转基因动物形式改进这种方法。

图2-1 山羊β-酪蛋白基因-CFTR cDNA的表达构建

3.条件控制基因表达

设计多种方法根据人的意愿在特定类型的细胞中打开或关闭转基因的表达。其中，四环素诱导系统是一种广泛应用的系统。四环素诱导系统是基于同一细胞中的两种转录单元，一个单元的产物控制另一个单元的基因表达。在一种四环素诱导系统中，加入一种四环素的无毒类似物——强力霉素（doxycycline,Dox）,能够关闭转基因的表达。没有强力霉素的情况下，转基因能在特定类型的细胞内持续表达。这种“tet-off”系统依靠一种由四环素阻抑物和一段能激活转录的氨基酸序列组成的嵌合（杂合）蛋白。这个杂合蛋白叫做四环素控制转录激活物（tetcyline-con-trolled transactivator,tetracycline transactivator,tTA）。编码tTA的基因（tTA）处在一个细胞特异性启动子上游的四环素操纵基因（tetO）序列组成。tTA蛋白结合到tetO区域，驱动转基因的转录。tTA 蛋白与tetO-启动子区域的结合，是转录起始所必需的，但tetO本身不能启动转录。当强力霉素存在

时，它与tTA蛋白结合形成的Dox-tTA复合物不能与tetO-启动子序列结合，转基因便不能转录。因此，强力霉素的有无，就充当了控制tTA基因的细胞特异性启动子的开关。[图3-1(a)] 一个作用相反的系统叫做“tet-on”。这个系统在Dox存在的情况下，才能进行转基因的转录。在这个系统中，编码四环素阻抑物的核苷酸序列突变，使阻抑物蛋白和转录激活物不能与tetO-启动子序列结合。这个四环素阻抑物/转录激活物蛋白称为反向四环素控制转录激活物（reverse tetracycline-controlled transactivator system,rt-TA），强力霉素与rtTA的结合能够改变其构象，使复合物又能与tetO-启动子序列结合，启动转基因的转录。[图3-1（b）]

这个四环素-调控系统的转录单元，可以插入同一个质粒中，这样就减少了建立转基因小鼠所需的步骤。强力霉素可以直接加入小鼠的饮用水中。tet-off和tet-on系统有许多用途。比如，可以详细研究一个异常蛋白的产生和一个正常蛋白的过量表达所带来的生物学效应，模拟细胞特异性的疾病发生条件，和检测一种能影响特定细胞类型的疾病的基因治疗效果。应用四环素-调控系统的一个经典例子就是亨廷顿舞蹈症（Huntington disease,HD）的小鼠动物模型的建立。这种不可治愈的、致命的神经功能紊乱，影响着世界上万分之一的人。在大多数病例中，病人在45岁左右就有明显的症状。最初，肌肉的协调功能受到损害。这种功能失调是进行性，并且是持续不断的。最后，不能控制自主和非自主行为，并伴有经常性的痉挛和扭曲，口齿不清，思维过程减弱和严重的精神病况，包括抑郁、妄想、无法控制的暴怒。HD晚期的病人会丧失语言能力和认知能力，由于僵直的关节和严重的挛缩，身体处于扭曲状态而不能行动。该病从发病起通常持续15年。神经性损伤只限制在大脑的特定区域。在基因水平上，HD的诱因只是只是HD基因外显子1中加入了CAG三核苷酸单元。CAG三核苷酸单元式谷氨酰胺的密码子，如果翻译一系列连续的这种密码子，就会在亨廷顿蛋白中加入一串谷氨酰胺（聚谷氨酰胺）。当谷氨酰胺编码片段的CAG密码子拷贝数增加到38个或更多时，就会出现HD症状。

利用tet-off系统来建立HD的小鼠模型，该系统中的转基因是HD突变基因，含有插入94个CAG 重复的HD基因外显子1。tTA基因置于一个只在前脑细胞中激活的启动子的调控下。为了避免胚胎的死亡，在怀孕期的小鼠的饮用水中加入了强力霉素，关闭HD基因的表达。转基因小鼠出生后，不再供给强力霉素，这样，突变的HD基因就不停地表达，产生一个带有聚谷氨酰胺长序列的蛋白。一段时间后，小鼠中出现了类似人HD的神经学症状。有趣的是，加入强力霉素阻遏HD突变基因的表达，症状又会消失。因此，至少在这个模型里，突变的HD基因的持续性表达是发病的原因。合成中之后，脑细胞又可以复原。基于这一发现，设计HD的治疗方法。可以在检测超过38个CAG拷贝的患者中直接阻断HD突变基因的表达，也可以从神经元细胞中清除不正常的蛋白。这两种治疗方法都要求精确针对突变的基因或蛋白，而不影响正常基因或蛋白。

图3-1 四环素调控基因表达的示意图

4.条件性控制细胞死亡

在不同时间和生物特定器官的特定条件下，可以诱导细胞死亡，这对于研究由细胞死亡引起的器官功能衰竭和组织或器官如何从各种程度细胞死亡中恢复功能是很有帮助的。已经建立这一研究方面的转基因小鼠。含有编码人类肝素结核性表皮生长因子受体（HB-EGFr）序列的构件，在肝脏细胞特异性启动子的调控下，用来建立转基因小鼠。HB-EGFr是一种细胞膜蛋白，能与白喉毒素结合，促进细胞摄取HB-EGFr-白喉毒素复合体进入核体内（endosome）系统。白喉毒素产生毒性的机理是通过一个释放到细胞溶质的亚基介导的，该亚基可以使多肽延长因子-2（EF-2）失去活性。而蛋白质的合成需要有功能的EF-2分子，否则蛋白质的合成终止导致细胞死亡[图4-1]。小鼠的细胞正常情况下对白喉毒素不敏感，因为它没有相应的受体蛋白识别该细菌蛋白。利用大剂量白喉毒素处理携带白蛋白启动子调控下的HB-EGFr cDNA的转基因小鼠时，产生严重的肝脏损伤。损伤的程度与使用的剂量成比例。在小鼠的其他组织中没有发现摄入白喉毒素。在小鼠肝脏细胞的细胞膜上表达HB-EGFr对肝脏细胞的功能也没有明显影响。因此，这个小鼠模型是一个便于研究细胞死亡造成的肝脏损伤的模型，损伤的程度可以由轻到重。另外，只需将HB-EGFr编码序列置于不同细胞特异性启动子的调控下，就可以选择性消除某一种细胞类型产生的生物学效应。

图4-1 遗传工程化细胞死亡