一、条件性敲除小鼠(Conditionalknockoutmice,CKO)原理
条件性基因敲除小鼠:使靶基因缺失仅发生于小鼠生命周期的某一阶段或某一特定的组织,而在其它组织或细胞表达正常,从而使对小鼠基因组的修饰的范围和时间处于一种可控状态。如下为全敲和条件性敲除的对比:
1.技术原理
通过染色体位点特异性重组酶系统Cre-LoxP或Flp-FRT来实现的。在待敲除目的基因一个或多个重要外显子两端各放置一个LoxP(或FRT)序列,得到flox(FlankedbyLoxP)小鼠。将flox小鼠与带有组织特异性表达的Cre(或Flp)的小鼠交配繁殖,以获得在特定组织里把目标基因敲除掉的小鼠,即条件性基因敲除小鼠。
鉴于这2种技术基本原理一致,Cre-LoxP系统更多用于动物体内编辑,下面就以Cre-LoxP具体介绍。
2.Cre/LoxP系统组成
Cre-LoxP系统源于P1噬菌体,可以介导位点特异的DNA重组。该系统含有两种成分:
LoxP位点:一段长34bp的DNA序列,为重组酶识别的位点:含有两个13bp的反向重复序列和一个8bp的核心序列。
Cre重组酶:为一种酶,由个氨基酸组成的单体蛋白;具有位点特异性,可使LoxP片段间的基因序列被删除或重组。
根据LoxP位点方向分以下三类重组方式:
⑴两个LoxP位点方向相同: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;如图下①所示。
⑵两LoxP位点方向相反: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;如图下②所示。
⑶两个LoxP位点分别位于两条不同的DNA链或染色体:Cre酶能介导两条DNA链的交换或染色体易位。如图下③所示。
图1.Cre介导的LoxP片段三种重组方式示意图
在这三种重组方式中,第一种敲除模式最为常用。
3.重要角色之Cre重组酶
条件性基因敲除鼠主要分为:可控的空间或时间敲除基因,实现这一过程主要源于对Cre重组酶的操控。下面介绍基于这2种目的对Cre酶的操控。
控制基因敲除的空间范围(组织特异性):通过将Cre重组酶基因插入在特定启动子之后,由于启动子表达的空间特异性,启动子带动Cre酶的转录后,实现空间特异性的基因敲除。例如,将Cre基因置于星形胶质细胞特有的启动子GFAP之后,再与LoxP鼠杂交,可以获得仅在星形胶质细胞敲除特定基因的鼠。
控制基因敲除的时间范围:现在多使用的是rtTA-tetO系统,即将Cre酶置于tetO启动子之后,rtTA转录因子与tetO启动子的结合则需要强力霉素(DOX)的支持,通过给予DOX,使rtTA结合tetO进而产生Cre酶,切割LoxP片段,敲除基因。即通过控制给予强力霉素的时间,就可以控制基因敲除的时间。结构如下图:
图2.rtTA-tetO系统示意图
二、条件性敲除鼠的设计与构建
1.首先需要构建这2种鼠:特定基因两端带有LoxP鼠和细胞特异性表达的Cre鼠。
LoxP鼠:通过基因编辑技术将目的片段敲除,再通过基因敲入的方式,将带有LoxP片段的目的基因整合入原基因组,就能得到想要的LoxP鼠。
图3.LoxP鼠构建策略图
Cre鼠:通过基因敲入的方式构建,将Cre基因插入特定启动子之后即可得到。Cre作为一种工具鼠,目前市场上有很多现成的,可以直接购买获得。
随后,将Cre鼠与LoxP鼠交配得到同时带有Cre与LoxP基因的鼠,即为条件性敲除鼠。