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斑马鱼模型用于研究人类基因功能的一般策略

2019年01月07日 浏览量: 评论(0) 来源:南京尧顺禹 作者:赵庆顺 责任编辑:admin
摘要:南京尧顺禹围绕模式动物斑马鱼、以基因组靶向改造技术为核心,持续不断地为相关的医院、高等院校和科研院所等提供人类疾病斑马鱼模型建立、功能基因组学研究、和药物筛选等技术服务和相关产品。
作为优选的模式脊椎动物,斑马鱼模型可以用来评价人类基因的作用与功能、解析其在遗传与发育上发挥作用的分子机制。如果候选基因与疾病高度相关,斑马鱼模型则可以用来帮助确认疾病
的致病基因,通过基因组改造(基因敲除、敲入和转基因等)构建人类疾病的斑马鱼模型,表型模拟人类疾病的病症,进而用于研究分子遗传病的病理机制、筛选治疗疾病的化学药、开发基因治疗
的生物药等生物医药的研发。
 
一、在斑马鱼胚胎中过表达目标基因(野生型vs 突变型等位基因)
 
评价基因功能(暂时性)如果目标基因在人类疾病中过表达,或者想了解突变基因可能的功能(包括功能缺失或功能获
得),可以通过借助显微注射技术在斑马鱼胚胎中过表达目标基因(野生型vs 突变型等位基因,基本方法为:克隆人类目标基因、体外转录制备mRNA,将mRNA 显微注入斑马鱼受精卵),将斑
马鱼胚胎当作一个体内反应器,建立暂时性的体内模型,从胚胎显微行为学、显微形态学、组织学、细胞生物学、转录组学等不同水平评价目标基因的功能及可能的作用机制。具体的评价策略需在对目标基因的个性化特征分析后确定。我们已有的工作积累表明,转录组分析是一种常用的比较有效的机制解析策略,通过选择发育至合适时期的注射胚胎(需结合基因的特征进行评价后选择),提取总RNA,进行转录组测序,从而有机会在转录组水平上无偏好地整体评价目标基因的功能(包括但不限于对特定生物学过程的影响、对特定信号通路的影响、对特定基因的可能调控作用)。
 
基于上述研究目的时,即使待研究的人基因在斑马鱼中没有同源基因,也可以根据已知目标基因的保守生物学功能(只要斑马鱼胚胎也存在类似的生物学过程),利用斑马鱼胚胎评价其功能。
 
二、在斑马鱼胚胎中敲降目标基因评价人同源基因功能(暂时性)
 
如果目标基因在斑马鱼基因组中有直系同源基因,那么就可以在斑马鱼胚胎中敲降目标基因,评价人同源基因功能。
 
如果选择敲降目标基因的话,需要首先明确目标基因在斑马鱼早期胚胎发育中有表达。如果目标基因在早期胚胎中没有表达,毫无疑问敲降斑马鱼的同源基因,不可能获得有用的信息。目标基因在斑马鱼上的早期表达,可通过RT-PCR 和胚胎整体原位杂交来检测。RT-PCR 可以给出基因的发育时期特异性的表达模式(但缺乏组织特异性或空间特异性表达信息),而胚胎整体原位杂交则可以获得时空特异性表达的全部信息。
 
至于目标基因如果存在a 和b 两个拷贝的情况,建议首先通过原位杂交确认那个拷贝的表达模式可能与感兴趣的发育事件有关,如果胚胎整体原位杂交结果表明两个基因均与可能与感兴趣的发
育事件有关,则需要同时敲降(一般安排敲降a、敲降b、敲降a+b 三组实验)。
 
在实践工作中,还可能遇到斑马鱼的同源基因只是预测的结果,在这种情况下,需要首先克隆该基因(CDS 全序列)或至少该基因的部分CDS 序列(可借组于EST 序列信息)。
 
在确定目标基因在斑马鱼早期胚胎发育中有表达后,需要建立基因敲降的方法。斑马鱼基因敲降(knock down)策略为:1)使用两个MO,其中一个与AUG 附近序列互补,抑制mRNA 翻译,该MO 无需验证有效性(活性),其是否具有活性只能通过敲降后的胚胎表型来确定;另一个与内含子-外显子连接处序列互补,抑制原始mRNA 的剪接,该MO 的有效性(活性)可以通过RT-PCR加以确认;而两个MO 的特异性通常是通过设计相应的5-碱基错配MO 作为对照来实现的;2)MO加CRISPRi,其中的MO 为前述可抑制原始mRNA 的剪接的MO,CRISPRi 方法则是通过多个sgRNA(一般建议4 个)引导dCas9 抑制目标基因的转录,从而实现目标基因的敲降;无论哪一种策略,只有在两种敲降方法得出的表型一致,且其异常表型可被mRNA 拯救的情况下,才可以被认定敲降结果可靠。一般地,推荐使用策略2,因为策略2 中的两种方法一个在转录后水平、一个在转录水平(且一般认为CRIPSRi 的脱靶和毒性小于MO),因而结果的可信度更高。
 
在确认了基因敲降的方法后,可以前述同样的策略评价基因的功能及解析可能的分子机制。即:从胚胎显微行为学、显微形态学、组织学、细胞生物学、转录组学等不同水平评价目标基因的功能
及可能的作用机制。具体的评价策略需在对目标基因的个性化特征分析后确定。我们已有的工作积累表明,转录组分析是一种常用的比较有效的机制解析策略,通过选择发育至合适时期的注射胚胎
(需结合基因的特征进行评价后选择),提取总RNA,进行转录组测序,从而有机会在转录组水平上无偏好地整体评价目标基因的功能(包括但不限于对特定生物学过程的影响、对特定信号通路的
影响、对特定基因的可能调控作用)。
 
三、构建基因敲除斑马鱼模型研究目标基因的功能(永久性)
 
如果期待通过功能缺失解析基因功能,那么构建基因敲除斑马鱼模型则是一种常见的选择。基因敲除的方法包括CRISPR/Cas9 或者TALEN,常用CRISPR/Cas9。功能研究方案同前。
 
四、构建转基因斑马鱼模型研究目标基因的功能(永久性)
 
如果期待通过功能获得解析基因功能,那么制备转基因斑马鱼模型则是一种常见的选择。转基因方法为Tol2 策略。
 
功能研究方案同前。
 
五、构建基因敲入斑马鱼模型研究目标基因的功能(永久性)
 
人类分子遗传病中很多是源于点突变或者小片段插入缺失造成的基因突变。在这种情况下,构建基因敲入斑马鱼模型研究目标基因的功能是一种常见的选择。要建立基因敲入模型,首先要进行
氨基酸水平上的保守性分析。只有氨基酸水平上是高度保守的,才可以考虑基因敲入(相对而言,这种保守性在不少直系同源基因上并不好)。
 
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