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畜產生物科技:動物基因轉殖

經由遺傳工程技術,透過人為方式,將外源遺傳基因殖入或將特定的基因組序列刪除或更改的動物,均稱基因轉殖動物。目前使用的手法中,以顯微注射法應用最廣,而體細胞核轉置法最具研究發展潛力。
 
 
 
經由遺傳工程技術,透過人為方式,將外源遺傳基因殖入或將特定的基因組(去氧核醣核酸,DNA)序列刪除或更改的動物,均稱基因轉殖動物。目前將外源基因轉殖至動物染色體,以產製基因轉殖動物的方法有數種,包括原核顯微注射法、胚幹細胞載體法、精子載體法、反轉錄病毒感染法及體細胞核轉置法等。其中以顯微注射法應用最廣,而體細胞核轉置法最具研究發展潛力。

原核基因顯微注射法

自從一九八○年代起,以原核基因顯微注射法成功產製基因轉殖動物以來,經過不斷地研究創新,證實此一方法不但有效且具穩定性,故已被廣泛應用。

使用原核基因顯微注射法的優點甚多,包括外源基因在宿主動物染色體上的整合效率較高,且被轉殖的基因可保有其整套的序列。由此產生的基因轉殖動物,其所有的組織和細胞中,被嵌入的外源基因仍可正常地經由生殖細胞系傳承給子代。

然而,應用顯微注射法亦有缺點,例如需具備嫻熟靈巧的顯微操作經驗。以豬胚為例,豬胚因含有許多不透明的脂肪物質,需經遠心分離處理,並在顯微鏡下將胚旋轉至適當角度,顯露其細胞核後才能注入基因,因此其顯微操作速度緩慢。更重要的是外源基因注入胚原核後,係以隨機方式嵌入體基因組DNA中,是以原核顯微注射法無法掌握基因嵌插情形。

具有純熟的顯微注射與胚移置技術的操作者,進行小鼠的基因顯微注射,其外源基因整合成功的機率約為24~31%。

反轉錄病毒感染法

此法的原理乃是利用反轉錄病毒具有感染宿主細胞,並將其DNA嵌入細胞染色體DNA中的能力。當反轉錄病毒侵入細胞後,反轉錄病毒的單股RNA鏈即反轉錄為雙股的DNA,進而嵌入DNA中成為前驅病毒,前驅病毒可以整合到宿主染色體中任意位置。

本法的主要步驟係將選殖的基因,先行嵌入一適當的反轉錄病毒載體,然後再將此等帶有該選殖基因的反轉錄病毒載體,與透明帶已被移除的4~8細胞階段胚,在體外共同培養16~24小時,以便將外源基因帶入胚的基因組中。

本法的最大優點乃一次可同時處理數目眾多的胚,且只要實驗室中具備反轉錄病毒操作經驗者,即可輕易完成。惟其最大缺點在於常會產生鑲嵌體的後代,且所產生的基因轉殖仔鼠,其外源基因在生殖細胞系中被傳承之比率,較利用顯微注射法產製者為低。

利用反轉錄病毒法針對哺乳動物做基因轉殖,在一九九八年即有成功的先例。利用體外經16~17小時培養的成熟牛卵母細胞,以顯微注射方式將反轉錄病毒顆粒注入卵黃膜間隙,經感染後,再繼續其體外成熟及受精培養。體外受精後的早期胚培養至囊胚期階段,再移置於受胚牛的子宮中,結果順利生下四頭小牛。經分析證實四頭小牛均為基因轉殖動物,出生動物的轉殖效率達100%。

胚幹細胞法

胚幹細胞係源自囊胚期之內細胞群細胞,經體外株化後所建立的細胞系,此類細胞具全能性分化能力或多分化潛能。當株化後的胚幹細胞或內細胞群的細胞團注入早期囊胚腔後,可與宿主的內細胞群發生嵌合,並參與宿主細胞的分化,發育成胚體的各部組織。設若此等注入的胚幹細胞,能成功地參與性腺分化,則可成為生殖細胞系的成員,使此等源自胚幹細胞的遺傳物質得以傳承至其後裔。

目前已有多種外源基因轉殖至胚幹細胞的方法可供選擇,例如化學藥劑誘導法、生物媒介法及物理或機械處理法,藉此產生嵌合胚。經由此等嵌合胚所產生的嵌合體動物,經過迴交配種後,可獲得真正的基因轉殖動物。

應用胚幹細胞融合法進行基因轉殖的基本前提,首需建立有效的胚幹細胞系,且此等幹細胞在生殖細胞系中亦需具有高傳承率。目前為止,在小鼠方面已成功建立許多良好的胚幹細胞系,且已用之多年;然而,源自家畜胚的幹細胞,則仍未能有效建立。在應用胚幹細胞進行基因定位或剔除時,可將外源基因以同源重組的方式,植入胚幹細胞的基因組內,再依前述方法注入囊胚腔中;或配合先行育成具組織專一性的基因轉殖動物,再將其與該指定位置基因轉殖動物配種,以生產組織專一性基因轉殖及剔除的動物。

精子載體法

本法於一九八九年,由義大利科學家勒維特雷諾(Marialuisa Lavitrano)開創成功。他先將小鼠精子與外源基因於體外共同培養,令該外源基因與精子相結合後,再以此等帶有外源基因的精子,進行體外受精,將外源基因成功帶入受精卵的基因組中。

一九九九年,斐瑞(Anthony Perry)利用小鼠卵母細胞的細胞質內單一精子注射技術,證實了外源基因可藉由精子頭部作為載體,達到基因轉殖的目的。最近,在魚、小鼠、豬和牛的身上,亦陸續用精子載體法,成功產下基因轉殖子代。

體細胞核轉置法

早期複製同源家畜個體的研究,偏重於以胚葉細胞當供核者的核轉置技術,然而欲獲得為數眾多的同源個體仍有其限制。近年來,為加速畜群的遺傳改進及提高家畜生產效益,胚的無性增殖及基因轉殖技術漸受重視。

一九九七年,威瑪特(Ian Wilmut)將成年綿羊的乳腺上皮細胞,以逐漸降低培養液中血清含量的方式,將供核細胞之細胞周期回歸至G0期後,成功獲得核轉置羔綿羊–桃麗。因此,已分化的細胞核,亦可經由卵母細胞的孕育而調控至分化前的狀態,此創舉突破了家畜體細胞核轉置及基因剔除技術的研究瓶頸。

體細胞核轉置技術,一般除應用於複製人類所需的特殊種源動物外,在畜產上也可用以複製相同遺傳背景的高產性能家畜。若進一步配合分子生物學及遺傳工程技術,將可取代原核顯微注射技術及胚幹細胞法,生產基因轉殖動物。

一九九七年許尼克(Angelika Schnieke)等人首先在體細胞核轉置技術結合分子生物學及遺傳工程技術方面有了突破性的發展。他先在體外進行綿羊胎兒纖維母細胞的初代培養,再將綿羊β乳球蛋白啟動子與人類第九凝血因子和抗新黴素基因構築成的融合基因,轉染送入胎兒成纖維母細胞中,同時在體外培養期間以新黴素篩選,挑選出帶有外源基因的細胞作為供核細胞,配合血清飢餓法調控,進行核轉置動物的產製。

結果在五頭出生存活的仔綿羊中,經DNA分析證實五隻皆帶有該外源基因,基因轉殖的效率達到100%;相較於以原核顯微注射法產製基因轉殖羊的效率(4.35%)高出了許多。使用未經血清飢餓法調控細胞周期的胎牛成纖維母細胞當作供核細胞,配合細胞轉染技術,也成功地產下基因轉殖犢牛和山羊。

以供核體細胞株為載體進行家畜的基因轉殖,若先在體外進行基因轉殖後的細胞篩選,則能有效提升產製效率,未來將可利用此法進行基因定位及剔除的工作,有助於做最適當的基因調控。

近年來,國內外分子生物學、基因工程及基因轉殖技術的研發,均已達純熟的階段,臺灣亦已建立完整之技術平臺,可供基因轉殖動物的研究。惟目前被選殖及構築的基因,其調控機制與功能性的了解仍占人類整體基因中的少數。其中具有經濟價值,並可於家畜獲得適當表現,如提高家畜生產性能及抗病力者為數尚少。所幸,近年來動物、植物、甚至人類等的基因組譜定序工作,均在全球各地陸續展開,並持續解密中。相信在人類及其它生物基因的奧祕逐漸被解開後,將有更多具經濟價值的標的基因能被人類應用。
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