人類遺傳圖譜中,基因只占了全部DNA的2.5%,基因與基因之間的“非編碼”大片段并不全是“垃圾”,有些能夠調節基因的開啟和關閉,有些負責DNA折疊和將DNA打包運往細胞核。不止基因突變,控制基因的DNA發生突變也可能導致疾病。小鼠是疾病研究的常用模型,想要弄清小鼠基因組中每個DNA片段的功能,需要依次敲除DNA片段,通過觀察敲除結果推測所敲除片段的功能。最近,猶他州立大學研究人員發明出一種快速、廉價的突變方法,能夠使非基因的DNA大片段發生突變。詳細內容刊登于本周在線版《Nature Genetics》雜志。
研究人員在文章中報道說:
(1)他們發現一種敲除或復制適度長至非常長的DNA片段的方法,突變頻率比其它方法的突變頻率高。操作人員能夠輕易找到這些突變所引發的疾病,弄清發生突變的DNA的功能。(2)他們設計出一個有效的混合和重組兩條染色體片段的方法,使培養帶有人類癌癥的小鼠變得更容易。
基因敲除技術現在已經非常成熟,能夠以給定方式敲除任何基因,但成本高、工期長。新方法不僅能夠敲除基因,而且能夠敲除基因之間的負責調節基因的DNA序列,成本低廉。猶他大學Mario Capecchi教授說,使用現有技術獲得一種基因或其它DNA序列發生突變的遺傳工程小鼠約花費1萬美元,因此預測小鼠2萬個基因的功能需要2億美元,依次突變小鼠大約30萬個非基因DNA序列需要30億美元。新方法突變DNA既快速又低廉,獲得帶有一個突變基因或其它DNA序列突變的工程小鼠只需 200美元,這將加速美國國立健康研究所突變所有小鼠基因的工作。
新技術的原理是:采用小的DNA片段——loxP。loxP片段好似路標,在說:“切斷兩個路標之間的DNA。”新方法中,研究人員將loxP插入到一只小鼠的一條染色體和另一只小鼠同一染色體的不同位點,并且第二只小鼠的細胞中還插有Cre基因。子代小鼠除了具有 Cre基因外,同一染色體上還有兩個loxP DNA位點。Cre基因編碼的蛋白如同一把刀,將loxP之間的DNA切除。子代小鼠繼續與正常小鼠交配,大約10%的子二代小鼠中,預計切除的DNA片段或者消失或者重復,因此可通過觀察這些突變小鼠的異常情況,探索目的DNA片段的功能。
Capecchi說,這種方法還可使兩條染色體斷裂、重組,新生染色體含有兩條舊染色體的一部分。此“置換”過程還可將兩個基因組裝為新的基因。
許多癌癥都是從置換開始的。用現有方法完成兩條染色體的置換,成功率為1/10,000,000-1/1,000,000,而新方法的成功率為1/100,速度提高了1-10萬倍。這一點很重要,因為使小鼠患上人類癌癥需要多個分子步驟,許多癌癥中,兩條染色體置換是第一步,如果發生率只有百萬分之一,沒有足夠的細胞用于后繼實驗。
在“跳躍基因”的幫助下產生多重突變DNA
Wu和Capecchi對新方法做了進一步改進:通過引入轉位子piggyBac,利用piggyBac將loxP DNA隨意插入小鼠基因組中多個位點,小鼠與攜帶Cre基因的小鼠交配,任意兩個loxP基因之間的DNA大片段都可發生突變。小鼠全基因組測序工作已經完成,研究人員可以識別攜帶loxP DNA的跳躍基因的位點,選擇目的發生突變的DNA大片段兩端都有loxP的小鼠。如果攜帶loxP的跳躍基因跳躍到基因的中間,該基因突變。因此該方法既能夠敲除非基因DNA 大片段,也能輕易破壞基因。
Wu和Capecchi證明,利用跳躍基因突變骨形成相關基因,導致突變小鼠四肢和尾異常短小。左圖為突變小鼠的骨骼,右圖為正常小鼠骨骼。
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