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转基因动物生物反应器的基因构建与表达

来源:《国外医学》预防、诊断、治疗用生物制品分册 作者:邱磊 郭葆玉 2004-9-27
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摘要: 摘要 近年来,生物学和分子生物学研究领域的成就促进了转基因动物生物反应器的蓬勃发展。用转基因动物生物反应器生产药用蛋白是生物技术领域里的又一次革命,它以一个全新生产珍贵药用蛋白的模式区别于传统药物的生产。本文着重介绍转基因动物生物反应器的基因构建以及转基因动物组织特异性表达的最新进展。以合理的费用......


  C蛋白 同样在WAP基因的第一个外显子位点,Drews等[11]将人C蛋白cDNA插入,转入小鼠胚胎细胞,可得到产量达1.6mg/ml的重组蛋白。而将上述杂合基因转入猪的胚胎细胞,可使猪分泌出380μg/mlμg/ml·hr的外源蛋白,活性与人血浆中C蛋白的活性相同。由于C蛋白的抗凝活性依赖于轻链膜结合区域正确的γ-羧化,因此,转基因猪能分泌有活性的C蛋白表明猪的乳腺细胞可对C蛋白前体高速率地进行γ-羧化,以使成熟C蛋白有完整的活性。

  膀胱生物反应器

  膀胱反应器有着和乳腺反应器一样的优点:收集产物蛋白比较容易,不必对动物造成伤害。此外,该系统可从动物一出生就收集产物,不论动物的性别和是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。

  膀胱生物反应器多用Uroplakin启动子启动人生长激素(hGH)的表达,产生 hGH特异性的高丰度RNA,这些RNA与蛋白分泌量高度相关。Uroplakin基因在多种哺乳动物体内有很高的保守性,如鼠、兔、牛、羊和人等。

  生长激素 Kerr等[12]将pUPII-LacI用质粒的Kpn i进行消化,用T4DNA多聚酶切去3'端,然后用BamHI消化,分离出3.6kb的5'端小鼠UPII基因片段,此片段含有膀胱反应器特异性表达所需的大部分序列。将此片段与位于无启动子的pOGH质粒纯化SaI和BamHI位点间的hGH结构基因的5'端连接,得到pUPII-hGH质粒,能表达该质粒的组织分布有限。将得到的pUPII- hGH质粒用HindIII和EcoRI消化,得出一段5.7kb的UPII-hGH融合基因可用于显微注射,在膀胱上皮细胞中合成hGH,收集转基因动物尿液,从中提取重组蛋白。但在这一途径中转基因动物会因hGH的作用逐渐肥胖,并导致雌性动物不育症。乳腺生物反应器也能表达hGH。用同源重组方法将hGH基因导入210kb的人α-乳球蛋白位置依赖性YAC载体,将重组的YAC dNA显微注入大鼠胚胎,转基因大鼠的乳汁中含有高水平的hGH,含量可达0.25~8.9mg/ml[13]。

  翻译与修饰

  转基因动物分泌的蛋白,特别是糖链成分的结构与人体蛋白有差异。因此研究分泌蛋白的修饰就显得很重要。在乳腺生物反应器中,蛋白质翻译前修饰的主要方式是在多个位点对乳腺中的蛋白前体进行信号肽剪切和对糖链进行修饰。例如,从山羊乳液中得到的长效组织型纤溶酶原激活剂与人体内和相比较,含有少量的异种(外源)低聚糖,同时,唾液酸、N-乙酰葡萄糖胺和半乳糖含量明显减少,关且出现缺少蛋白质C127的N-乙酰半乳糖胺。此外,从猪乳液中得到的C蛋白中是没有的;从羊乳液中得到的重组α1-抗胰蛋白酶多聚肽也反映了唾液酸酸化程度的差异;在山羊乳腺中观察到了重组抗凝血酶Ⅲ上低聚甘露糖与特异天冬酰胺的位点特异性聚合等等。研究小鼠乳液中的重组γ-干扰素可对翻译前修饰有更好的理解,γ-干扰素有大量的位点特异性变化,在N端连接位点进行复杂的唾液酸酸化和连接核心岩藻多聚糖,其次是低聚甘露糖。与从小鼠细胞中取得的蛋白质相比,分泌的重组蛋白没有GalNAc、NeuGC和Gal∞l 、3Gal-βl、 4GlcNAc残基。这些蛋白特异性的糖基化类型可与细胞上的受体结合并清除病人体内的重组蛋白,因此可能会影响疗效,最终的结果尚有待验证。

  同源组织表达蛋白质的优点是可对表达产物进行调控并校正珠蛋白链的翻译过程,避免无效的翻译前修饰,使产物蛋白尽可能与人体天然蛋白相似,降低人体内的排斥反应,提高药物蛋白疗效。目前,蛋白分离技术飞速发展,大大提高了蛋白质分离的可行性和分离效率。第二种技术路线中目前以乳腺生物反应器较为多见,因为乳汁易得到,且乳汁中的特异蛋白含量较大,对蛋白水解酶的降解作用也比较稳定。乳汁是一种混合物,含3%~6%的总蛋白,3%~5%的脂类,对蛋白提纯技术要求比较高。另一方面,药用蛋白是在动物乳腺中产生。因此只有含转基因型人雌性动物在泌乳期才能生产药用蛋白,可用的动物数目有限,且生产期较短。膀胱生物反应器的优点在于含有转基因型的两性动物都可用,产后收集时间长,提取产物蛋白浓度双乳液中的含量低得多,尽管收集的尿液多且时间长,生产单位数量的药用蛋白在乳腺和膀胱生物反应器中的成本是差不多的

  问题与展望

  在转基因动物生物反应器的应用中,有些问题尚待解决。比如,由于转基因动物的基因是镶嵌整合型的,因此它的下一代并不都转基因型。但是在绵羊,猪和山羊中观察到只要转基因型从起始个体传给了下一代,这种转基因型就可以稳定地遗传好几代。而其他一些因素,如外源基因的整合率低,胚胎移植的受孕率低等都使有效的转基因动物大大减少。同时,由于对调控表达水平的程序,指导进行精确的组织特异性和发育调控表达的程序,以及调控和编码内含子序列间可能的相互作用的认识尚不充分[14],容易引起异位点表达;由于现在的技术还不能控制整合的位点,因此存在对内源基因进行插入诱变的可能性,转基因型的表达会受整合的不同位点的影响。这些因素使得在家畜长成前,要用小鼠对新基因构型进行常规试验。

  转基因动物生产的药用蛋白可用于预防和治疗疾病,其转运系统及口服用药引起的耐受性等问题都在作进一步研究。以转基因家畜生产珍贵的药用蛋白具有重大的经济价值和社会效益,这项生物技术最终将会得到广泛应用。

  参考文献

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  5.Wright G et al.Biotechnology nY,1991;9:830-834

  6.Schnieke AE et al.Science,1997;278:2130-2133

  7.黄淑帧等,科学通报,1998;43(7):784-785

  8.Yull F et al.Proc Natl Acad Sci uSA,1995;92:10899-10903

  9.Paleyanda RY et al.Nat Biotechnol,1997;15:971-975

  10.Castilla J et al.Nat Biotechnol,1998;16(4):349-354

  11.Drews R et al.Proc Natl Acad Sci USA,1995;92:10462-10466

  12.Kerr DE et al.Nat Biotechnol,1998;16(1):75-79

  13.Fujiwara Y et al.Mol Reprod Dev,1999;52(4):414-420

  14.Barash I et al.Transgenic Res,1994;3:141-151


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