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遗传改造技术医药学论文

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1遗传改造技术和遗传改造疾病动物模型在医药学研究上的应用特点和前景

1.1主要的遗传改造技术应用于制作动物模型上的优缺点

1.1.1转基因技术该技术将体外构建的包含基因表达框的DNA通过直接注射到受精卵雄原核中,使其在基因组DNA扩增的过程中随机插入到基因组中而构建,其中BAC转基因由于具有能完整地保留基因表达的调控元件、基因上下游序列较长大大降低了插入位点周围序列的影响、插入基因组中的拷贝数较低且传代较稳定等传统转基因所不具有的优点[5],而越来越受到学者们的重视。该技术可以利用强驱动子使基因过表达,用于模拟和再现基因扩增引起的一些疾病,如许多肿瘤的发生是由于癌基因的扩增而造成的。利用转基因技术也可以在体表达针对某个或某些mRNA的micoRNA而关闭或敲弱这些基因的表达,以再现由于缺乏这些基因表达而造成的疾病。该技术的主要缺点是:一是插入的随机性可能造成外源性转基因的表达不能完全遵循原有内源性基因表达的模式,对内源性基因的表达还可能造成干扰;二是效率低。

1.1.2以同源重组为基础的遗传改造技术该技术将经改造后的序列通过同源重组替换原有的序列,从而达到改造基因的目的。该技术需经历ES细胞培养、ES细胞内重组和筛选、囊胚注射和子宫移植等阶段而获得嵌合鼠,再从嵌合鼠的后代中获得能稳定遗传改造过的基因的首建鼠。该技术可以用于对基因进行定点突变、整个或部分序列替换造成该基因功能的缺失,可实现传统敲除(conventionalknockout)[6]、结合Cre-loxp[7]、Flp-Frt[8]系统可实现对特定基因的条件性敲除(conditionalknockout,包括组织特性和发育阶段特异性敲除)。该技术可以模拟和再现人或动物由基因点突变而造成的疾病,可以实现在特定的组织细胞、特定的发育阶段关闭某个或某些基因的表达,以模拟和再现这些组织细胞或发育阶段相关的特定疾病的发生、发展过程等。该技术的主要缺点是:受限于ES细胞的培养技术(目前仅有小鼠、大鼠的数个ES细胞系可用)、首建鼠获得率低、周期长等。

1.1.3以人工核酸内切酶为基础的遗传改造技术近年来,许多学者从微生物中发现了几种能特异性识别某些碱基序列的内切酶并加以改进,发展成为人工核酸内切酶,应用该技术可以精确地对某些特异DNA序列进行识别、结合和特异性切除,以促进外源DNA序列在缺口处的插入,从而达到切除或者替换原有序列的目的,实现基因改造。近几年,迅速发展起来的人工内切酶技术,包括ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9技术,具有操作简单、修改精确度高、效率高、周期短、不受ES细胞的局限、可对多种细胞内的基因进行改造等优点[9]。其中CRISPR/Cas9技术在南京大学模式动物研究所得到了很好的开发和应用,黄行许等人利用该技术已经成功实现对包括人ES细胞在内的多种种属和种系细胞株内的基因改造,成功地实现了对小鼠[10]、大鼠[11]、猴[12]的基因改造,其中包括条件性敲除改造等。CRISPR/Cas9等新技术的开发和利用提高了遗传改造的成功率,使多种属、种系的遗传改造疾病动物模型的构建成为可能。

1.2遗传改造疾病动物模型在医药学研究上的应用及其特点

1.2.1在西医药研究上的应用特点及其前景基于对小鼠遗传信息的深入研究,对人、小鼠疾病的遗传学研究成果,目前已通过遗传改造技术构建出多种能再现人、小鼠疾病的小鼠模型,并被广泛应用于研究和揭示疾病发生和发展分别所涉及的信号通路、基因及其调控等。由于肿瘤的发生和发展过程实质上是体细胞或生殖细胞基因突变及其积累的过程,因此遗传改造技术构建的肿瘤疾病模型能再现许多肿瘤的发生和发展过程,因此在肿瘤医学研究和抗肿瘤药物开发上具有巨大的应用价值,并已取得了不小的成果。目前,已获知肿瘤发生和发展的过程是Ras通路[13]、WNT通路[14]或PI3K/AKT通路[15]等促进细胞增殖的信号通路被激活,而p53通路[16]或Rb通路[17]等抑制细胞增殖的信号通路被破坏的过程。在对这些分子机制较为深刻和充分的认识基础上,已开发出多种抗肿瘤药物。例如对靶向EGFR的药物已被应用于临床上抗肿瘤治疗[18],对p53通路的调节模式的认识及对有关分子结构的了解,促成了MDM2抑制药物RG7112[19]等的产生,这些药物均在一定程度上对一些肿瘤有较好的疗效。近年来,基于对小鼠转移性肿瘤模型中获得的有关肿瘤转移过程所涉及的分子机理的深刻认识,为开发出能广泛抑制肿瘤转移药物提供了理论依据。由于受到ES细胞培养难等技术限制,目前遗传改造疾病动物模型绝大多数来自于小鼠,CRISPR/Cas9技术在多种模式动物中的成功应用,使得更广泛的动物遗传改造成为可能,从而为构建除小鼠以外的遗传改造疾病动物模型清除了技术障碍。

1.2.2在中医药学研究上的应用特点及其前景由于中医症候的标准化、量化从理论上和方法上的未统一、未确定,导致中医症候本身的描述和表征上存在争议性,使得依据中医药理论所构建的疾病动物模型能被业者认可的极为有限。尽快制订统一的中医症候确诊标准,探索符合中医药理论的量化方法,探讨和揭示中医症候与基因的表达调控及其功能的关系,有助于中医药实践和理论的深入发展。中医理论的整体观和辨证观强调了机体的整体性、个体的特异性和致病的辩证性在疾病诊断、病因、病机探索和疾病治疗上的关键作用,提示需要以组学如功能基因组学、转录物组学、蛋白质组学和代谢组学等的理念和方法,洞察中医症候的病因和病机。因此,从遗传学角度来解读中医症候,更多体现在以某个基因为主的多基因间相互关联和作用(整体性和辩证性),更多表现为表观遗传学上的改变(个体性)所造成的症候的发生和发展。现代遗传改造技术的长足进步和CRISPR/Cas9等新技术的产生,使得经济、快捷地在1个个体中对多个基因进行改造和进行人为模拟自然调控成为可能。随着中医症候的标准化和量化从理论上得到统一和确定,方法上得到改进和广泛的认同,相信遗传改造技术所构建的中医症候动物模型在不久的将来必将面世,这将为中医药学的研究提供新的平台,有望促进中医药学的实践和理论发展达到新的高度。

2小结

包括疾病表型在内的任何表型均可以追溯到相关基因的功能及其调控和变化,从这个角度来看,遗传改造所构建的疾病动物模型正是抓住了疾病发生和发展问题的根本,有助于学者从根本上洞察疾病发生和发展的规律,也为新的、安全有效的药物开发提供优良的试验平台。随着对医药学、遗传学本质的深入认识,以CRISPR/Cas9技术为代表的现代遗传改造技术有望更广泛地应用于疾病动物模型的构建,将强劲地推动现代医药学的发展。

作者:陈来熊耀坤罗小泉陈丽玲刘志勇徐彭单位:江西中医药大学实验动物科技中心江西中医药大学科研处

遗传改造技术医药学论文责任编辑:杨雪    阅读:人次