Cre-LoxP重组酶系统在转基因(基因打靶)动物实验中的原理及应用

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所属分类:Genomics

Cre-LoxP重组酶系统在新型基因打靶中获得广泛应用,是条件性基因打靶诱导性基因打靶、时空特异性基因打靶策略的技术核心。

Cre重组酶和LoxP序列

Cre重组酶:于1981年从P1噬菌体中发现,属于λ Int酶超基因家族。Cre重组酶基因编码区序列全长1029bp(EMBL数据库登录号X03453),编码38kDa蛋白质。是一种位点特异性重组酶,能介导两个LoxP位点(序列)之间的特异性重组,使LoxP位点间的基因序列被删除或重组。

LoxP(locus of X-over P1)序列:来源于P1噬菌体,是有两个13bp反向重复序列和中间间隔的8bp序列共同组成,8bp的间隔序列同时也确定了LoxP的方向。Cre在催化DNA链交换过程中与DNA共价结合,13bp的反向重复序列是Cre酶的结合域。其序列如下:
ATAACTTCGTATA - GCATACAT -TATACGAAGTTAT

Cre-LoxP系统的特性

Cre重组酶介导两个LoxP位点间的重组是一个动态、可逆的过程,可以分成三种情况:

1、如果两个LoxP位点位于一条DNA链上,且方向相同,Cre重组酶能有效切除两个LoxP位点间的序列;

2、如果两个LoxP位点位于一条DNA链上,但方向相反,Cre重组酶能导致两个LoxP位点间的序列倒位;

3、如果两个LoxP位点分别位于两条不同的DNA链或染色体上,Cre酶能介导两条DNA链的交换或染色体易位。

另外,Cre不仅可以识别LoxP的2个13bp的反向重复序列和8bp的间隔区域,而且当一个13bp的反向重复序列或者8bp的间隔区发生改变时仍能识别并发生重组。利用这一特点,人们在构建载体时可以根据需要改造LoxP位点序列,以用于特定的基因突变或修复,增加了该系统的应用范围。

Cre-LoxP重组酶系统在基因打靶中的应用策略

基于Cre-LoxP的基因打靶要分两步来进行。首先要在胚胎干细胞的基因组中引入LoxP序列,这一步可以通过打靶载体的设计和对同源重组子的筛选来实现。下一步通过Cre介导的重组来实现靶基因的遗传修饰或改变。Cre-LoxP系统既可以在细胞水平上用Cre重组酶表达质粒转染中靶细胞,通过识别LoxP位点将抗性标记基因切除,又可以在个体水平上将重组杂合子小鼠与Cre转基因小鼠杂交,筛选子代小鼠就可得到删除外源标记基因的条件性敲除小鼠。或者将Cre基因置于可诱导的启动子控制下,通过诱导表达Cre重组酶而将LoxP位点之间的基因切除(诱导性基因敲除),实现特定基因在特定时间或者组织中的失活。

利用Cre/loxP系统实现体内某特定基因在特定条件下的敲除,需要两只转基因小鼠。第一只小鼠一般采用胚胎干细胞技术获得,首先在体外构建一个在目的基因两端分别含有一个loxP位点的基因序列,之后将体外构建好的这段基因序列转入胚胎干细胞内,使其通过同源重组替代细胞基因组内原来的基因序列。经过这样处理的胚胎干细胞被重新植入到假孕小鼠的子宫内,使其重新发育成为一个完整的胚胎,最终成为一只转基因小鼠。在这只转基因小鼠中,loxP位点被引入到相应基因的内含子内,理论上不会对相应基因的功能产生影响,因此一般情况下,该小鼠的表型是正常的。第二只转基因小鼠一般采用卵母细胞注射或者胚胎干细胞技术获得,在这只小鼠中,Cre重组酶被置于某特定基因启动子的调控之下,可以使其在某特定的条件下表达。最后,让这两只小鼠进行交配,产生的同时含有上述两种基因型的子代小鼠就会在某一特定类型的细胞中缺失某一特定的基因。

很明显,在何种组织细胞或器官中敲除某一特定的基因取决于所选择的启动子。只要选择合适的启动子调控Cre重组酶的表达,使其在生物体特定的部位、特定的条件下产生,就可以实现相应条件下某一特定基因的敲除。迄今为止,研究者们已经成功地利用多个不同的启动子实现了在不同条件下的基因敲除,这些启动子可以是细胞类型特异的,如lck启动子(胸腺细胞)、alphaA晶状体球蛋白启动子(眼晶状体)、钙调素依赖性激酶Ⅱ启动子(海马和大脑新皮质)、乳清酸性蛋白启动子(乳腺)、aP2启动子(脂肪组织)、AQP2启动子(肾脏集合管)和肌浆蛋白启动子(骨骼肌)等。启动子也可以受某些外源性化学物质的调控,外源性调控的基因敲除可以避免在胚胎发育早期由于基因功能的异常所产生的副作用,如干扰素反应Mxl启动子、他莫西酚依赖的雌激素突变体启动子和四环素调节系统等。

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