Rosa26:作为基因组中的安全位点是种怎样的体验?


    

当我们提到“safe harbour”,你首先想到的什么呢?我们今天要讨论的不是船只安全停泊的港口,而是小鼠基因组中外源基因定点整合的安全位点。接下来就让我们一起探索小鼠基因组中的最经典的安全位点之一:Rosa26,作为基因组中的安全位点是种怎样的体验吧。

 

Rosa26:安全这块我拿捏的死死地!

Rosa26:安全这块我拿捏的死死地!

 

随机整合存在哪些问题?

 

利用细胞系或者模式生物研究基因功能时,通常会通过功能缺失或获得(gain of function/loss of function)策略来研究靶基因在细胞或者动物内的具体功能和调控机制。功能获得通常通过基因敲入技术从而促使基因过表达实现,而功能缺失通常通过基因敲除方式获得。在本文主要讨论基因敲入模型。基因敲入(过表达)是指利用转基因或同源重组等方式将外源功能基因或片段插入到基因组中,使其在细胞内持续发挥功能的技术。

 

传统转基因技术制备的小鼠,由于转入的基因是随机整合的,可能出现整合位点和拷贝数不确定等问题,因此需要通过对后代的筛选才能获得蛋白表达稳定的小鼠。再加上传代后拷贝数稀释以及转入位点容易导致周围基因沉默等原因,同种首建鼠的表型在传代过程中容易丢失,给后期的建系、重复试验带来诸多不便。

 

那么是否存在一个不需要筛选又能让转入基因稳定高表达并且也不影响转入基因附近其他基因表达的位点呢?要想避开筛选并获得基因稳定表达的小鼠,就需要为外源基因提供一个安全可靠的停泊“港口”,在这些“港口”,外源基因既可稳定高效表达,又对细胞和组织无副作用。

 

Rosa26的发现

 

研究人员在小鼠基因组中尝试了各种不同的基因插入位置,他们发现有一两个位点很特别,在这些位点放置任何DNA序列都非常安全稳定,其中就有Rosa26位点。Rosa26的发现可能是基因改造史上最令人兴奋的发现之一,并被视为整个遗传学史上最重要的突破之一。

 

Rosa26最早是由Friedrich和Soriano在研究小鼠胚胎干细胞基因突变时发现的。Rosa26在科学界被称为Gt(ROSA)26Sor, 是一个位于小鼠6号染色体上由三个外显子构成的非编码基因,因为该区域极易进行基因插入操作,且由于其尚未发现功能性表达蛋白,加之容易进行同源重组,插入该区域的蛋白可以很好的进行表达,不会影响其他内源性基因的表达和功能发挥,在所有细胞类型和发育阶段均有广泛表达,所以小鼠的Rosa26位点常常被用作基因打靶的安全位点。

 

Rosa26位点基因敲入模型分类

 

一般来说,有三种不同类型的Rosa26位点敲入:

 

● 第一种类型也是最原始版本,即敲入基因的cDNA是由ROSA26启动子控制并在体内组成性表达的(图a)。具体来说,接着cDNA的剪接受体(splice acceptor, SA)序列的感兴趣的转基因被插入到Rosa26基因第一个内含子内的Xba1限制性酶切位点。在转基因的上游插入一个由新霉素抗性基因(NeoR,阳性选择标记)和三个聚腺苷酸(pA)位点组成的终止转录盒(STOP casscatte)。

 

● 第二种策略为条件性敲入,也就是第一种策略的变体,通过分别插入位于终止转录盒(STOP casscatte)两侧的loxP位点来实现的(图b)。在这种情况下,终止转录盒的存在可以阻止转基因的表达,而与表达Cre小鼠交配的方式,可以通过同源重组去除终止转录盒(STOP casscatte)序列。然而,中等强度的Rosa26启动子在某些情况下可能无法达到期望的转基因表达水平。

 

● 为了克服这一限制,第三种策略就是引入外源性启动子或增强子(如CAG启动子)来驱动Rosa26位点的高转基因表达(图c)。此外,为了监测转基因在体内的表达,可以在转基因下游克隆一个两侧有frt位点的IRES-GFP盒。

 

图片来源:Creative Biolabs官网

图片来源:Creative Biolabs官网

 

Rosa26的应用

 

Rosa26位点靶向方法允许高频率的正确插入和稳定的单拷贝基因插入表达。结合Cre-loxp系统,可以实现对基因表达的时间和细胞类型的特异性控制。更重要的是,作为一种靶向基因敲入策略,所需的小鼠数量比BAC转基因和PiggyBac转基因要少,大大提升了工作效率,降低了生产成本。目前,利用Rosa26构建的模型已广泛应用于基因功能、机体发育机制以及药物开发等研究。

 

1. 实现小鼠的全身表达。利用Rosa26的广谱性表达特性可以实现外源基因在动物机体所有组织和细胞中的表达,如表达某些标记基因,即可实现对细胞及组织器官的标记。

 

2. 作为基因打靶的安全位点之一,可用于某些待研究蛋白的过表达。

 

3. Rosa26品系是表现出广泛lacZ染色的几种品系之一。Rosa26小鼠似乎在所有造血细胞以及胚胎的所有组织中表达lacZ,因此它对许多应用非常有用,比如嵌合体分析。

 

4. 将报告基因或毒素基因插入到Rosa26位点已广泛用于特定细胞谱系示踪,尤其是利用Cre-loxp位点特异性重组系统制备的细胞谱系示踪模型和重组酶介导的基因交换模型最为典型。

 

目前,赛业利用Rosa26位点已经建立了上千种基因敲入小鼠模型,除小鼠外,赛业生物还提供在大鼠和胚胎干细胞Rosa26位点的基因靶向修饰的服务,这些模型广泛应用于基因功能、疾病诊断与治疗、干细胞功能与应用、RNAi等领域。在小鼠、大鼠和胚胎干细胞中靶向修饰Rosa26,将有效解决常规转基因修饰造成的诸多问题,为外源基因表达稳定、表型一致的模型提供有效的途径,必将推进基因修饰模式动物的研究和应用。

 

关于赛业

 

赛业生物历经14年发展,已服务全球数万名科学家,产品和技术已直接应用于包括CNS(Cell,Nature, Science)三大期刊在内的3500余篇学术论文。除了提供基因敲除基因敲入条件性基因敲除模型定制服务外,赛业生物还有专业的手术疾病模型团队,可以提供多种复杂精细的小动物手术疾病模型;国际标准化无菌鼠技术平台可以提供无菌鼠、无菌动物定制服务、微生物菌群移植服务等基于无菌动物模型的各类产品和服务,结合赛业生物成熟稳定的基因编辑小鼠平台,还可帮助您研究菌群与基因的互作机制。