基因功能分析的基本策略

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基因功能分析的基本策略,Strategy for Gene Function Analysis,郭 睿,山西医科大学,生物化学与分子生物学教研室,后基因组研究焦点：基因功能研究,Central Dogma,DNA,RNA,transcription,Protein,translation,Transcription,Factors,Alt. Splicing,Alt. Poly-A,Alt. Translatin Start,Central Dogma,DNA,RNA,transcription,Protein,translation,Transcription,Factors,TGS,PTGS,TGS:,Transcriptional,Gene Silencing,PTGS:,Post Transcriptional,Gene Silencing,反向遗传学,Reverse Genetics,Gene DNA,Sequence,Gene Disruption,Phenotype,Analysis,Function,Development,Physiology,Cell Biology,Genetically Link,Homologous recombination,Overexpression,Anti-sense,RNAi,抑制基因表达,观察功能变化,Knock,Out,法,Antisense,法,Ribozyme,法,RNAi,法,RNA,干扰技术,基因敲除技术,基因转染细胞模型,转基因动物模型,基因功能分析的基本策略,将某一基因从动物基因组中剔除,或将外源基因引入动物基因组,产生经过基因工程修饰（改造）的动物,实现在整体和细胞水平认识基因的功能,第一节 转基因技术,transgenic technology,将外源基因导入受精卵细胞或胚胎干细胞中,通过外源基因与细胞染色体,DNA,之间随机发生重组,将外源基因插入到受体细胞染色体,DNA,中,转基因动物,基因转染细胞模型,转基因动物,转基因动物模型实验步骤,转基因载体的构建；,将转基因载体导入受精卵细胞或胚胎干细胞；,将转基因受精卵或胚胎干细胞植入假孕小鼠子宫内；,对转基因动物进行鉴定。,转基因载体,结构基因,报告基因,增强子,启动子,受精,全能性细胞,注射,植入,假孕小鼠,后代,Southern blot,RT-PCR,Western blot,转基因小鼠,基因转染细胞模型实验步骤,真核重组表达质粒的构建；,在原核细胞中复制扩增和克隆化真核重组表达质粒；,将重组表达质粒转染哺乳动物细胞；,重组质粒转染细胞的克隆化筛选、保存；,转染细胞表达目的蛋白、提取、鉴定。,转染技术,脂质体法,脂质体法,将待转染的,DNA,溶液与磷脂混合，形成脂质体结构，将脂质体悬液加入到细胞培养液中，与受体细胞膜发生融合，,DNA,片段随即进入细胞质或细胞核内。,电击法,在外加电场的作用下，细胞膜电位发生改变，细胞质膜瞬间出现可逆性的电穿孔，从而使一定数量的外源,DNA,从细胞外扩散到细胞质和细胞核内，并进一步整合到宿主,DNA,上，达到转基因目的。,显微注射法,将外源,DNA,在显微操作系统的辅助下，直接将外源,DNA,注入哺乳动物受精卵的原核内，使外源基因整合到基因组上，制备转基因动物。,基因枪法,将要转染的,DNA,吸附到高黏度的金属颗粒上，在加速装置的作用下，将这些粒子高速打入细胞或组织内，达到转基因目的。,磷酸钙法,将待转染的,DNA,溶解在磷酸缓冲液中，使,DNA,片段与磷酸钙共沉淀并形成大的颗粒；加入贴壁培养的细胞中被吸收，实现转基因。,瞬时转染,：,外源,DNA,不整合到宿主染色体中，可存在多个拷贝，能产生高水平的表达，但通常只持续几天。,稳定转染,：,外源,DNA,既可以整合到宿主染色体中，也可能作为一种游离体存在。外源,DNA,整合到染色体中的概率很小，通常需要通过一些选择性标记进行反复筛选，得到稳定转染的同源细胞系。,第二节,RNA,干扰技术,RNA Interference (RNAi),加工,dsRNA,形成,21-23 nt,小片段,Dicer,RNAi,的要素：,Dicer,Dicer contains two RNAse III domains,siRNAs,long dsRNA,siRNA,19 nt duplex,2 nt 3,overhangs,RNA,诱导沉默复合物,RISC,对靶,mRNA,的切割是以内切的方式进行的，而且切割仅发生在与,siRNA,同源的部分。,RNAi,的要素：,RISC,RISC: RNA-Induced Silencing Complex,Exonuclease,Homology search activity,Endonuclease,Helicase,5,3,Target mRNA,OH3,5P,形成,RISC,复合物，降解目的,mRNA,dsRNA,Dicer cleavage of dsRNA,siRNA,RNAi,抑制基因表达的机理,siRNA associated,With RISC complex,Cell Membrane,5P,OH3,Target mRNA,RNAi,机制,Dicer,RISC,碱基互补,酶解,RNA,干扰实验的基本过程,1.,确定干扰靶点,干涉靶点序列应具备的条件：, 尽量避开蛋白结合位点；, 一般应具有,AA,（,N19,）,TT,或,AA,（,N21,）序列特征；,G,C,比比例为,50%,左右；, 被干涉的靶序列应该是特异性的，和其它,RNA,没有同源性；, 通常一个基因需要设计多个靶序列的,siRNA,，以找到最有效的,siRNA,序列,提供,RNAi,在线技术支持的公司（网站）,2.,将候选的靶点序列和相应的基因组数据库等进行,BLAST,比较,3.,制备,siRNA,siRNA,制备常用的五种方法,：,化学合成,体外转录,长片断,dsRNAs,经,RNase III,类降解,siRNA,表达载体在细胞中表达形成,shRNAs,PCR,制备的,siRNA,表达框在细胞中表达,化学合成,质量高，高纯度，高成本,适用于已经验证过抑制效率的靶点序列,不适于筛选靶点序列,体外转录,成本适中，省时，适用于筛选靶点序列,不适用于长期的研究或者针对某个特定靶点序列的大量研究,长片断,dsRNA,酶解法,dsRNA,在体外被,Rnase,家族成员切割成,siRNA,不需要验证筛选多个靶点序列,不适用于长期研究或者特定,siRNA,序列的研究,siRNA,表达质粒或者病毒载体在细胞中表达,siRNAs,AAACCAGCAGAACGTGTACGA,载体介导的细胞内表达,siRNA,方法的特点,操作简便，稳定性好,siRNA,表达载体一旦构建成功，可以无限制的应用于研究,适用于长期的对于某个基因的研究，尤其是带有筛选标记的载体，能够用于构建特定基因缺陷的细胞株,4.,对目标,RNA,的干扰,转染靶细胞,对目标,RNA,干涉程度进行分析：可采用,RT-PCR,在,RNA,水平上监测、,Western blot,在蛋白质水平上进行监测,RNAi,实例,(,载体法,),：,Target gene,：,c-myc,查找靶基因,mRNA,利用网络在线支持，寻找,siRNA,序列,根据查找的,siRNA,序列，合成长链,oligo,构建载体,转染,检测效应（包括干扰效应和生物学效应）,2,、,http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/,3,、其它网站,1,、检索文献获取有实验证明有效的靶点序列（核对）,目的基因,mRNA,获取,：,载体构建：,dsDNA,形成：退火 载体的酶切和回收 连接 转化 鉴定,转染,：,瓶颈之一,含有真核细胞筛选标志 含有荧光标志,效应检测,：,mRNA,水平和蛋白水平兼顾,(a),(b),24 h 48 h,干扰组,阴性对照组,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,mRNA,相对表达量,c-actin,Pokemon,500,300,500,300,(d),Pokemon,-actin,(a),Pokemon,蛋白相对表达量,干扰组,阴性对照组,48 h 72 h,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,RNA,干扰的应用,基因治疗方面,抗肿瘤,应用,RNAi,技术抑制肿瘤细胞血管生长因子如血管生成素、,angi1,、,angi2,、,angi3,及,VEGF,等或其受体的表达，抑制肿瘤细胞癌基因,bcl2,、,RAS,、,Tp53,等突变基因及其蛋白的表达达到抗肿瘤生长及转移的目的,抗器官移植排斥反应,细胞间粘附分子,-1,（,ICAM-1,）是重要的介导细胞粘附和,T,细胞激活的分子，应用与,ICAM-1,基因序列特异的,siRNA,阻断,ICAM-1 mRNA,和蛋白的表达，可以明显降低大鼠同种移植心的移植物血管病的发生的程度和缺血再灌注损伤。,抗病毒,斯坦福医学院运用此技术来治疗丙型肝炎,把,dsRNA,转入小鼠的肝细胞，被分解成,siRNA,后与小鼠体內的丙型肝炎病毒,mRNA,相结合，使之分解并失去转译蛋白质的功能。,已从体外试管实验阶段推进至体內的动物实验,且在小鼠模型看到丙型肝炎病毒被阻断的明显效果,利用,siRNA,治疗疾病需要解决几个问题：,导入问题：使用高效载体传递,siRNA,；,给药方式：因为,RNA,容易被降解，如何提高,siRNA,在体内的稳定性；,高选择性：如何靶向特定细胞而不影响其他细胞。,第三节 基因敲除技术,Gene Knock-out,通过,DNA,同源重组,定向将外源基因插入宿主细胞染色体,DNA,中,从而使特定目的基因在细胞内或生物体内失活,Embryonic Stem Cells,同源重组,target,targeting,vector,homologous recombination,“,knockout”,TK,5,3,5,3,5,3,5,3,5,5,5,5,3,3,3,3,待剔除基因,克隆,克隆载体,重组载体,切割基因使待剔除基因失去活性,阳性标记基因,Neo,r,连接,HSV-tk,打靶载体,打靶载体,内切酶消化,线性化打靶载体,转染,基因组,同源重组,同源重组的胚胎干细胞,胚泡,植入,假孕小鼠,杂合子小鼠,正常小鼠,杂合子小鼠,交配,杂合子小鼠,兄妹交配,纯合子小鼠（基因剔除）,