转基因和克隆动物.ppt

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1、转基因动物和克隆动物,一、转基因动物转基因动物：指染色体基因组中整合有外源基因并能遗传给后代的一类动物。整合到动物染色体基因组的外源基因被称为转基因。,当制备转基因动物时外源基因可能只整合到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。如果动物所有的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，通常把这类动物称为转基因动物.如果只有部分组织细胞的基因组中整合有外源基因的动物，把这类动物称为嵌合体动物（Chimeric animal）,只有当外源基因整合入的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。一般用胚胎干细胞法、逆转

2、录病毒载体法制备的第1代转基因动物均为嵌合体动物，而显微注射法得到的第1代转基因动物中，也约有20为嵌合体动物。,二、转基因动物研究进展,转基因动物研究的简要回顾 1977年，Gordon首先用微注射的方法将外源mRNA和DNA注射到非洲爪赡胚胎，发现被注入的核酸完全有功能。1980年Brinster等利用小鼠胚胎作了类似的研究，表明外源DNA能够在胚胎细胞转录表达。这些工作奠定了生产可以“获得新功能”的转基因动物的科学思想和方法。,从1980年底至1981年，有6个研究组相继报道成功地获得了转基因小鼠。Palmiter将5调控区缺失后的大鼠生长激素基因与小鼠金属硫蛋白1基因启动子相连接，然后

3、将融合基因注入受精小鼠的雄原核，生出21只小鼠，其中7只为转基因阳性鼠。在阳性鼠中，2号鼠在出生后74天时，体重达到同窝非转基因小鼠平均体重的1.87倍，这便是著名的“超级小鼠”.,1985年Hammer等利用该方法成功地制作了转基因兔、绵羊和猪。上述三起研究被认为是动物转基因研究历程上的里程碑.转基因动物研究与开发是整个生命科学中近年来发展最为迅速的领域，1997年，仅各种不同类型的转基因（transgenic）小鼠就达到了804种.,1988年4月12日美国专利局批准了第一个转基因动物“原癌小鼠”(oncomouse)专利，稍后还获得了欧洲专利局批准，打破了“动物生命不允许专利”的铁律。,

4、1998年，美国和欧洲专利局共批准了42种转基因动物专利，登记注册了88种专利申请。转基因动物研究正在全世界范围内形成一个前所未有的高潮。并将成为21世纪生物技术领域的支柱性产业。毫无疑问，动物转基因正在改变农业、医药、生物材料，甚至是整个生命科学的研究与发展面貌。,2009年2月15日.美国食品和药物管理局刚批准首个转基因动物表达的抗血栓药物 ATryn，人类终于有了第一个转基因动物生产的药物上市用于临床。,我国的转基因研究起步较晚，从80年代初期开始了转基因动物的研究。中国科学院发育所率先成功地将人-珠蛋白基因、大肠杆菌galk和 gpt基因、牛及人生长激素等基因，分别注入小鼠受精卵，获得

5、了多种转基因小鼠。,中国科学院水生所在国际上首先开展了转基因鱼的研究，并最早获得了转基因鲫鱼个体，转基因鱼是目前国内获得最为成功的一种转基因动物。,我国较大规模地进行转基因动物的研究与产业化开发是由我国“863计划资助，也是“863”计划最早实施的高技术项目之一。经过十几年的努力工作，取得了许多十分显著的成绩 先后获得了生长速度快、瘦肉率高、对某些病毒有一定抗性的转基因猪，在乳腺组织中能够表达人药用蛋白凝血因子IX、人生长激素、人红细胞生成素等的转基因羊。最近，还成功地获得了转基因牛。1997年，“动物乳腺生物反应器”的研究与开发列为“863”计划的重大项目，表明一个新的转基因动物研究与产业化

6、开发高潮已经在我国形成。,通过将纯化的DNA分子导入动物种系生殖细胞基因组，从而实现对动物基因组的遗传修饰并使其稳定传代，常用方法：显微注射法；胚胎干细胞法；逆转录病毒转染法,转基因技术原理,显微注射法,同步获得供体雌鼠（超排的）和受体母鼠（前者是通过注射雌激素的雌鼠与正常雄鼠交配而得；后着是通过与接扎雄鼠交配产生）供体鼠注射人绒毛促性腺激素（HCG）32h后，采集受精卵，此时受精卵有清晰的原核。用显微注射法将纯化的外源基因片段导入受精卵的雄原核内,将微注射后经鉴定为存活的受精卵移植到同步交配的假孕母鼠的输卵管（或子宫）内。其中一部分移植卵能够继续生长发育成个体鉴定子代鼠中外源基因的整合和表达

7、。转基因动物品系的建立。,优 点 能将外源基因导入动物生殖细胞，从而实现对整个动物机体的基因修饰；可以在机体整体水平研究基因表达所导致的生物学效应研究周期短；缺 点 基因整合位点的随机性；基因表达的位置效应；,胚胎干细胞法,将外源基因直接导入胚胎干细胞，经体外培养筛选后，通过显微操作将其注射到囊腔中，在移植入受体的子宫内，使其发育为嵌合体的转基因动物。,胚胎干细胞（ES）是指从囊胚期的内细胞团中分离出来的胚胎细胞，能在体外培养，具有发育全能性的细胞ES细胞在发育上类似于早期胚胎的内细胞团细胞，当被注入囊胚腔后可以参与包括生殖腺在内的各种组织嵌合体的形成。ES细胞具有与早期胚胎细胞相似的分化潜能

8、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。,选择合适的载体，将Cre重组酶的 编码基因与其重组，构建重组质粒将重组质粒其转人培养的小鼠胚胎 干细胞中。体外筛选稳定整合外源基因的胚胎 干细胞。筛选出的胚胎干细胞被重 新注射到小鼠囊胚中，并植入到假 孕小鼠的子宫内，使其重新发育为 一个完整的胚胎。产出的嵌合体小鼠通过杂交，获得 稳定整合Cre重组酶的纯合体转基因小鼠。,胚胎干细胞的囊胚注射法构建Cre转基因动物,本方法的优点是：可用多种方法将外源基因导入ES细胞，其细胞的鉴定和筛选比较方便。可预先在细胞水平上检定外源基因的拷贝数、定位、表达的水平及插入的

9、稳定性等，故转基因动物外源基因整合率的可控制程度高于微注射法。ES细胞注入囊胚以及囊胚移植到子宫，在操作上比较简便。不足之处在于：建立ES细胞系本身就是一种高难技术，其培养条件至今无突破性进展。ES细胞的保存和维持也不容易。所得个体为嵌合性，如发生性嵌合，将导致生殖机能紊乱和不育。所需时间较长。,逆转录病毒载体感染法,逆转录病毒具有侵入宿主细胞并整合于细胞染色体DNA的能力。将插入有外源基因的反转录病毒载体DNA，通过辅助细胞包装成高感染滴度的病毒颗粒，再感染桑椹期的胚胎细胞，随后将胚胎导入子宫，可发育成携带外源基因的子代动物。原则上载体中可插入各种基因组DNA和cDNA。反转录病毒载体的容纳

10、量在10kb以下，不能插入较大的外源基因。,该方法的优点是：感染率高，且胚胎存活率高。病毒DNA随机单拷贝整合。宿主范围广。不足之处为：整合位点是随机的，其整合率不高。由于病毒感染过程是在多次卵裂之后外源基因很难整合于所有胚胎细胞中，故多数子代动物是嵌合体。重组的反转录病毒不够稳定，外源基因易发生重排或丢失。病毒载体的容量不大。病毒DNA序列可能会干扰外源基因的表达。,转基因动物的发展方向利用转基因技术提高或改良动物的生产性能，为人类提供更多更好的优良畜牧产品；利用转基因技术进行生物制药，生产人类所需的治疗有关疑难病症的特效药物；利用转基因动物还可以进行动物的遗传改造，为人类提供大量可供移植用

11、的器官；最近的研究结果显示，利用转基因动物还可生产能生物降解、具有特殊强度的生物材料。,发展方向l.应用转基因动物建立人类疾病的实验动物模型，探讨 疾病发生机理、治疗方法和新药筛选技术。2.进行生物反应器制药，治疗人类的疑难病症。3.人类器官移植的器官供体，克服免疫排斥。4.应用于国防和生物材料，提高国家综合国力。5.转基因技术与动物克隆技术完全结合，融为一体。,二、克隆动物,“克隆”（clone）是指一个遗传单位或一个生命单位，通过无性繁殖方式，产生生物学上完全相同的遗传单位或生命单位。动物克隆是一种通过核移植过程进行动物无性繁殖的技术。,一个细菌经过20分钟左右就可一分为二；一根葡萄枝切

12、成十段就可能变成十株葡萄；仙人掌切成几块，每块落地就生根；一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍匐茎，一年内就能长出数百株草莓苗凡此种种，都是生物靠自身的一分为二或自身的一小部分的扩大来繁衍后代，这就是无性繁殖，无性繁殖的英文名称叫“Clone”，译音为“克隆”。,克隆动物：即动物的无性繁殖，主要借助于核移植技术，将供体细胞核移入去核的卵母细胞中，使后者不经过精子穿透等有性过程即被激活，分裂并发育成个体，使得核供体的基因得到完全复制。,英国PPL公司已培育出羊奶中含有治疗肺气肿的a-1抗胰蛋白酶的母羊。这种羊奶的售价是6千美元一升。一只母羊就好比一座制药厂，用什么办法能最有效、最方便地使这种羊扩大繁殖

13、呢？最好的办法就是“克隆”。同样，荷兰PHP公司培育出能分泌人乳铁蛋白的牛，以色列LAS公司育成了能生产血清白蛋白的羊，这些高附加值的牲畜如何有效地繁殖？答案当然还是“克隆”。,理论基础,动物体细胞的全息性：几乎所有的有核体细胞含有与受精卵相同的一整套遗传物质卵母细胞（尤其M卵母细胞）具备对细胞核具备重编程的能力（reprogramming)供核细胞与受核细胞之间的细胞周期的协调性是供核能被有效重编程或正常发育的重要条件,1997年2月，位于英国爱丁堡的Roslin研究所获得了由成年哺乳动物体细胞克隆成的活羊羔（Dolly）。开创了哺乳动物体细胞克隆的新纪元。Dolly是采用乳腺细胞经过“饥饿

14、”培养，与去核的卵细胞进行电融合，促使融合细胞中遗传物质“重排”，然后逐步发育成胚胎。,1998年美国夏威夷大学采用小鼠卵丘细胞克隆出27只小鼠，其中7只是由克隆小鼠再次克隆的后代，这是继“多利”以后的第二批哺乳动物体细胞核移植后代。2000年6月，中国西北农林科技大学利用成年山羊体细胞克隆出两只“克隆羊”，但其中一只因呼吸系统发育不良而早夭。据介绍，所采用的克隆技术为该研究组自己研究所得，与克隆“多利”的技术完全不同，这表明我国科学家也掌握了体细胞克隆的尖端技术。,克隆动物的技术路线,主要包括供核的分离、受体细胞的去核、核卵重组、重组胚的融合、核移植胚的培养与移植。,克隆动物的研究价值和应用

15、前景,克服动物种间杂交障碍，创造出新的物种，培育良种快速繁殖扩群加快珍稀动物繁殖，抢救濒危动物为了解细胞发育的潜能性，细胞核与细胞质之间相互关系提供研究工具为研究胚胎发生及其调控提供了新视角,克隆动物存在的问题,作为一个新兴的技术在实践中，克隆动物的成功率还很低，维尔穆特研究组在培育“多利“的实验中，融合了277枚移植核的卵细胞，仅获得了“多利”这一只成活羔羊，成功率只有0.36，同时进行的胎儿成纤维细胞和胚胎细胞的克隆实验的成功率也分别只有1.7和1.1，即使是使用“檀香山”技术，以分化程度较低的卵丘细胞为核供体，其成功率也只有百分之几。此外，出生的部分个体表现出生理或免疫缺限。克隆技术对伦

16、理道德的冲击。,多能性细胞研究及其在再生医学领域的应用进展,周琪，1970年4月出生，博士，研究员，博士生导师；中国科学院动物研究所所长助理，计划生育生殖生物学国家重点实验室副主任，干细胞与再生医学研究中心主任，生殖工程研究组组长。,主要从事体细胞重编程机制、干细胞及再生医学相关的研究工作。现已建立多种克隆动物模型（兔、小鼠、牛、大鼠等多种动物），在国际上率先证明了小鼠克隆的可重复性；首次获得体细胞克隆大鼠，研究成果发表在 Science,Development,Developmental Biology 等刊物,并得到了Nature、Science 的高度评价。建立了小鼠治疗性克隆胚胎干细胞系、iPS细胞系；建立了人的胚胎干细胞系、孤雌胚胎干细胞系；利用小鼠模型探讨了PGD的安全性问题，引起社会对辅助生殖安全性的关注；发明克隆胚胎连续培养法等系列方法，大大提高了动物克隆和干细胞建系的效率。在世界上首次成功获得体细胞克隆大鼠、首次证明了 iPS细胞的全能性；工作于2009年发表在Nature，并入选了2009年美国时代周刊评选的年度十大医学突破、中国两院院士评选的2009年度中国十大科技进展及2009年度中国基础研究十大新闻。,谢 谢,