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基因導入細胞的技術與應用
2018/07/24
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隨著生物科技不斷的進步,科學研究的探討愈形深入、實驗的結果往往需要不斷的反覆驗證;但要做好基礎研究來進一步說明所觀察到的現象(例如:疾病因素的探討、某一個基因與蛋白質在不同生理現象中會扮演什麼樣的角色),或甚至是其他用途(例如:用大腸桿菌生產胰島素)大多會使用到將目標基因轉移到實驗物種內的實驗,而在這過程中,又是用什麼方法來進行轉移呢?一般而言會依照實驗樣本、經費多寡與操作者的經驗而有不同的選擇。

 

傳統基因轉殖方法有下列數種:(1)基因槍(gene gun)法、(2)電穿孔(electroporation)法、(3)顯微注射(microinjection)法、(4)利用PEG(poly ethylene glycol)法,在植物原生質體上造成傷口,使DNA進入細胞內、(5)微脂體(liposome)pollen tube pathway、(6)反轉錄病毒(retrovirus)轉染法、(7)藉由農桿菌(agrobacterium)感染等。

 

其中,基因槍法是直接將帶有目標基因的質體(plasmid)包覆在直徑0.2-0.4微米的金或鎢粒子表面,再用瞬間產生的強力氣壓將這些金屬粒子打入植物或藻類細胞內。這個過程就像用散彈槍射擊細胞一樣,因此稱為基因槍。其優點是操作簡便,一次射擊可同時將許多金粒子打入多個細胞中。又因為專一性低,任何植物的種類或組織部位皆可使用此一方法處理,不必再購買分解植物細胞壁的酵素,故獲得多數研究者的青睞。但缺點是可能會造成一個細胞同時接受到多個質體,使基因不活化或共同競爭轉錄、轉譯所需蛋白質的現象。這個方法的發明人之一是中央研究院的楊寧蓀博士,在「基改作物、食品與健康」中,我們可以透過楊博士的演說,更深入了解基因槍與基改技術方面的應用。

 
基因槍是利用瞬間強力的氣壓將包覆著目標基因的金粒子打入植物細胞中,作用原理如同用槍在射擊(而不是外形長得像槍),故名之。
▲基因槍是利用瞬間強力的氣壓將包覆著目標基因的金粒子打入植物細胞中,作用原理如同用槍在射擊(而不是外形長得像槍),故名之。
 

電穿孔法是將目標基因轉殖到原生質體(protoplast)狀態的細胞中。方法是讓細胞懸浮在含有目標基因的導電溶液中,再利用短時間的高電壓衝擊,使細胞膜因電位差產生暫時性的孔洞,目標DNA因此可以由此孔洞進入細胞中,至於此一孔洞則很快就被細胞本身修補完畢。植物細胞因為最外層有細胞壁,需要使用能分解植物細胞壁的酵素(如:cellulase、pectinase)來去除細胞壁之後才能使細胞呈現原生質體的狀態,而動物細胞則不必,因此方便得多。其優點也是操作簡便,一次可以處裡多個細胞,缺點也與基因槍法雷同。

 

電穿孔法的原理及其他方面的應用在「皮膚深度之旅:經皮輸藥不用打針」一文中有詳細的介紹,在醫藥方面可用於傳遞大分子藥物,也是瞬間給予皮膚一個短暫電壓,藉以使原本有穿透限制性的藥物得以進入皮膚。這種電脈衝非常迅速而且是可回復的,它可使角質層的障壁暫時改變,細胞膜上極性通道因而打開,大分子就經由這途徑進入皮膚細胞內。當電流停止後,細胞膜上的滲透性又會使其回復到正常狀態。

 
電穿孔樣本槽。將懸浮溶液狀態的原生質體以及目標基因加入樣本槽中,透過兩左右兩側電極通入短暫的高電壓衝擊,使目標基因能進到原生質體中。
▲電穿孔樣本槽。將懸浮溶液狀態的原生質體以及目標基因加入樣本槽中,透過兩左右兩側電極通入短暫的高電壓衝擊,使目標基因能進到原生質體中。

 

顯微注射法是利用玻璃毛細管經過加熱後拉出的細微針頭,將帶有目標基因的質體注射到具有高度再生能力細胞內的技術(以尚未開始進行細胞核分裂的卵母細胞最佳),主要應用在動物細胞上,其優點是只需微量的DNA即可。如同「畜產生物科技:動物基因轉殖」所述,利用這種方法,外來的目標基因被整合到細胞染色體的效率較高,讓目標基因可經由生殖細胞傳遞給下一代。顯微注射法雖然不像前兩種方法需要專屬的昂貴儀器操作,但也需要維持濕度,並在冷氣房中的光學顯微鏡下進行,一邊觀察一邊操作,操作者需要有專注、耐心與熟練度,成功機率會較大。此法的缺點是一次只能注射一個細胞,無法同時大量操作(即一次同時進行許多個樣本)。顯微注射法的原理也被應用在醫院內,當進行人工受孕時,便是取單一精子注射到卵子細胞內而受孕的。

 

顯微注射法是將目標基因引流到針尖後,置於顯微鏡下操作,將目標基因注入卵母細胞內。
▲顯微注射法是將目標基因引流到針尖後,置於顯微鏡下操作,將目標基因注入卵母細胞內。

 

PEG(polyethylene glycol)法,是將原生質體狀態的細胞浸在同時含有鈣離子與攜帶目標基因的質體溶液中,再加入PEG,利用PEG親水的特性,與質體結合同時造成細胞滲透壓突然改變,而在細胞膜上產生暫時性的缺口。這時,目標基因就可由此缺口進入細胞,其優點是操作簡單,不需購買昂貴的儀器,缺點則是有些細胞對PEG相當敏感,會影響細胞的活性。在「聚乙二醇的妙用」一文也介紹了PEG在醫療方面的應用,像是塗抹藥膏、保護受傷組織。此外,有些護唇膏與乳液也會添加這個化學分子。

 
植物細胞的原生質體(protoplast),是利用酵素去除植物細胞壁後,置於等張溶液中呈現的樣貌,外觀呈現綠色的圓球形。進行電穿孔與PEG等方法時,要將植物細胞處理到這種形態才可以進行基因轉殖。
▲植物細胞的原生質體(protoplast),是利用酵素去除植物細胞壁後,置於等張溶液中呈現的樣貌,外觀呈現綠色的圓球形。進行電穿孔與PEG等方法時,要將植物細胞處理到這種形態才可以進行基因轉殖。
 

微脂體(liposome)是非常適合用在動物細胞的基因導入媒介。因為沒有細胞壁的阻礙,故只要利用外力,使大的油滴散開後與磷脂質重新摺疊形成較小的油體,而小的油體裡就可以包覆著目標DNA的質體,藉由與動物細胞融合的過程,將目標DNA送進融合的細胞。在「油體載體–抗癌給藥新思維」一文中,也講述了這個方法可以再進一步發展的應用,例如:利用人工處理技術在微脂體接上「標靶融合蛋白」,可發展出能辨認標靶目標的微脂體,並接合上去,將內容物(藥物分子)送入標靶細胞裡面,進行治療、或殺死目標細胞;如果微脂體有接上螢光物質,還可以追蹤微脂體運移的情形,這技術在研究或是醫療領域應用已相當廣泛。

 

除了上述人類構想出來的技術之外,自然界中也存在著基因轉殖高手呢。因為這正是它們延續生存的模式。首先介紹的是反轉錄病毒,反轉錄病毒的遺傳物質是RNA,雖然與動植物的遺傳物質DNA不一樣,但彼此之間有對應、互補的關係。因此,在實驗上只要找好對應的遺傳序列就可以操作,同樣將目標基因接在病毒遺傳物質裡適當的位置後,藉由病毒感染細胞的過程,就能把目標基因送到細胞裡,對於病毒而言,這過程是家常便飯。

 

當病毒將自身的遺傳物質送入細胞後,會先把病毒的RNA反轉錄成DNA,再嵌入宿主細胞的染色體中,目標基因即經由細胞複製與分裂的過程,傳遞至下一代的子細胞中。因此若使用反轉錄病毒做為基因轉殖媒介,目標基因可以有長效性的表現。在「人類的好伙伴—昆蟲桿狀病毒:醫生的助手」一文中,提到了這種方法的應用,就是所謂的「基因療法」,其主要是輸入額外的正常基因,生產功能正常的重組蛋白質,用來修補或取代病人及動物喪失功能與致病的基因,使細胞恢復正常功能,讓病患得以恢復健康。這方法可以說是患有先天性疾病者的福音,理論上成功的話,就不再需要終生服藥來緩解症狀。對於「基因療法」想獲得更多細節的讀者,可以閱讀「基因治療的過去與展望」一文。

 

另外一種自然界中的基因轉殖高手就是農桿菌,在自然環境中生存於土壤裡,會感染農作物並使其被感染部位失控生長的病原菌。當植物的組織受傷,分泌酚類物質到土壤中時,就會誘使農桿菌將環狀質體中的一段基因從菌體中切離出來,移轉到植物細胞內,並嵌入植物細胞的染色體中。這一段嵌入植物細胞內的基因能促進細胞分裂,形成腫瘤或不定根,以供應農桿菌生長所需的空間與營養成分。

 

農桿菌這段基因轉殖的發現史也挺有意思的,因為在植物的病理研究發現,曾經被農桿菌感染過的組織裡面即使已經沒有農桿菌了,細胞仍會繼續增殖,使得研究人員聯想到農桿菌應該有留下某種物質在植物細胞或組織內,經過進一步仔細的研究後終於得知,農桿菌竟然是將它自己的一段基因轉移到植物細胞裡了。因此,科學家就利用農桿菌這種轉移基因的能力,並且把引起植物形成腫瘤的基因破壞掉,來協助他們將想要研究的目標基因轉移到植物細胞裡。即可讓目標基因在植物細胞裡展現其功能。在「農桿菌–自然界的基因改造者」一文中對這段運作機制的發現有詳細的描述,值得推薦給有意深入了解的讀者。

 

由於農桿菌的優點是成功率高、效果好、方法最成熟,也可轉殖較大的DNA片段(大於等於50kb),相較於前面提到的病毒則只有5kb左右。因此,農桿菌已經成為現今操作植物基因轉殖實驗最常使用的媒介。農桿菌也可以用來延長香蕉的成熟時間與增加儲存期限。我們在吃香蕉的時候,都知道香蕉的種子已經萎縮掉,所以台灣香蕉幾乎都是行無性繁殖,如果想獲得外源基因,就得透過其他來源,因此農桿菌就被派上用場,在「基轉植物的任務」一文中描述了科學家把帶有轉殖基因的農桿菌液和香蕉細胞混合,經過振盪培養、靜置,讓農桿菌去進行基因轉殖的過程,就可以培育出能抑制乙烯形成、長保青春的香蕉品種,香蕉的保鮮期延長後,就可以保存更久、更耐運輸,減少在運輸過程中爛掉的機會。

 

另外,在「自然發生的基改作物」一文中也提到位於秘魯首都--利馬的國際馬鈴薯中心發現的291個甘薯栽培種,每一個栽培種至少都有一段是來自農桿菌的DNA,而野生的甘藷品種則都沒有,表示有這段DNA的甘藷應該是曾經受到人擇的青睞。也就是說,在甘薯的馴化過程中,來自農桿菌的DNA曾扮演過某種角色,而且發生的時間相當早。根據祕魯的考證,顯示至少在八千年以前,當地人就已經以甘薯維生。

 

到目前為止,植物基因轉殖已經發展出許多種技術,農桿菌也族繁不及備載,而且轉殖成功的植物物種也越來越多。另外也有些方法比較不普遍,像是由台大園藝黃鵬林老師開發的花粉管法(pollen tube pathway)則是將目標基因塗抹在已授粉的柱頭上,藉由萌芽的花粉管將目標基因推進胚囊的卵細胞中,待受精卵發育成胚胎時,就有機會得到轉殖植株了。

 

有句諺語說『戲法人人會變,巧妙各有不同』,貼切地形容了現今的生物技術開發上,科學家們為了達到某個特定的目的,而使出了千奇百怪的花招,各有各的奧妙,但無論是藉由自然界的微生物、或是利用化學分子的性質、甚至是簡單的物理原理,都讓我們驚訝於科學家的創意,真是可以有無窮盡的空間。

 

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