使用小鼠做基因修饰研究的原因

发布时间:2016-03-10


  小鼠用于研究哺乳动物生物学已有100多年的历史。由于小鼠易于获得,与大鼠和猪相比更便宜,具有相对短的世代周期和清楚的遗传背景(包括完整的基因组序列信息),以及已建立的一系列可利用的遗传操作技术,是非常好的用于研究哺乳动物发育和组织特性的模型系统,当用于研究人类疾病如癌症、炎症或自体免疫等的病理学以及检测新的治疗方案的效果时,可以使用相应的小鼠疾病模型。由此使得小鼠从众多模式生物中脱颖而出,成为研究人类基因功能的关键生物。
  
  表面上看,小鼠与人类之间存在着巨大的差异,但是从分子遗传学角度来看,二者间的差异却很难界定。比如,人类与小鼠的所有基因都是高度保守的,仅在非编码区的DNA序列上存在很多差异。因此,在绝大部分情况下,都可以用人类的全长基因序列替换小鼠相应的基因区域而不会影响基因调控和功能。甚至于可以在小鼠中复制出人类组织特异性表达的基因模式。虽然人类与小鼠在脂蛋白生化代谢方面差异巨大,由于这些差异的存在,实际上不适合利用小鼠食物诱发研究动脉粥样硬化,但尚未发现人类与小鼠间在脂代谢机制方面存在差异。如果这些差异被“修复”或“代偿”,则小鼠的脂蛋白代谢将呈现出“人源化”特征。从医学角度讲,小鼠的疾病发生过程与人类可能存在差异。首先,小鼠生长快,生命周期短,因此在某一特定发育时期发生的疾病所能呈现的窗口期较短。同时,小鼠的寿命仅2年,衰老较快,复制人类慢性病仅需要几个月。比如,遗传性眼癌基因出现杂合子突变不会导致小鼠发病,但几乎毫无例外地诱发人类眼癌。不过,小鼠的短寿一般对癌症、神经退行性病变和心血管疾病研究的影响不大。其次,小鼠的生理指标与其个体相适应。小鼠平均体重40 g,因此如果考虑个体大小与体重的关系,则许多疾病都有完全不同于人类的发生过程。比如,诱发人类“杜式”骨骼肌营养不良的基因突变对小鼠没有严重影响。此外,人们很难从小鼠上获得适合研究人类动脉粥样硬化斑块破裂的模型,这可能与二者间动脉大小差异100倍有关。尽管如此,小鼠疾病模型最可用的特点是在分子和细胞水平,其与人类的契合程度相当高,从而为研究人类疾病提供了一个小型化的、可快速复制的模型。我们也应该意识到,尽管小鼠在遗传上与人类很相似,但仍存在许多不同之处,使得我们有时候无法将来自小鼠的实验结果外推到人类。在小鼠中复制疾病模型绝不会和人类完全一致。例如,野生型小鼠不得银屑癣,但人类易患这种慢性感染性皮肤病。小鼠也不罹患老年痴呆症(Alzheimer's disease,AD)。
  
  现代研究证实向小鼠引入遗传突变后,极大地推动了将小鼠发展为生物医学研究的模型系统的步伐。通过引入基因突变,从分子水平上对小鼠进行的改造所引起的人们不愿意看到的和未知的副作用要比药物处理少得多,这样在对实验结果进行解释的时候,所产生的歧义就更少些。此外,通过对小鼠基因组进行改变,可能会促使人类与小鼠在病理机制方面更趋于一致,从而增强小鼠作为基本动物模型的有效性。通过向小鼠基因组引入突变(人源化基因修饰小鼠),就可用来研究人类的银屑癣,AD和其他疾病。因此,遗传修饰小鼠不仅可以为我们提供疾病分子病理研究的模型,也能提高转化医学的成功率。
  
  基因修饰小鼠不仅极大地促进了生物医学领域,包括发育生物学,免疫学、生理学、细胞生物学及生物化学等基础理论研究的发展,也深入地影响到了实际生产环节。一方面,在生物医学研究进入分子水平后,为了研究基因的结构、表达及其调控机制,基因修饰动物,尤其是基因修饰小鼠已成为了不可或缺的研究工具和手段。人们主要通过对基因修饰小鼠的研究,逐步了解了基因表达的时空特异性及表达的调控原理,并以此为基础,建立了反向遗传学(reverse genetic)。目前已经有大量的人源化基因修饰小鼠被用于研究人类基因的功能。事实证明,这些研究极大地促进了我们对于人类功能基因组的认识水平和深度。另一方面,所生产的基因修饰动物可用于提高动物优良性状,改善动物产品质量,培育动物新品种;利用基因修饰动物生产药用蛋白,用基因修饰动物提供人体器官移植所需的动物器官以及建立人类疾病的动物模型等。