遺傳工程與近交系的發展

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四、遺傳工程與近交系的發展

遺傳工程是70年代興起的一門嶄新的科學技術，它使人類進入了定向控制生物遺傳性狀的新階段。

所謂遺傳工程也就是根據人們的意愿，采用工程建筑的手法，按照預先設計的方案，借助于實驗室手段將一個生物體的遺傳物質定向地轉移到另一個生物體中去，使后者獲得人類希望的性狀，成為一個新的“物種”。這們就打破了傳統的、必須經過兩性雜交的育種方法，使原來在自然狀態下根本不可能發生有性繁殖的兩種生物的基因結合在一起了。

遺傳工程的概念可分為廣義的和狹義的兩種。廣義的遺傳工程包括細胞工程、染色體工程和基因工程三類，使用的是細胞生物學方法和分子生物學方法，包括細胞融合、細胞拆合、染色體導入和基因或DNA分子的轉移等。廣義的遺傳工程又稱為微生物工程或細胞工程。狹義的遺體工程僅限于基因工程。

早期的遺傳工程的研究工作大多數是在病毒、噬菌體和細菌中進行的。因為這些生物的遺傳物質比較簡單，容易搞清楚遺傳物質與生物性狀之間的關系。隨著知識的積累，技術的提高，現在越來越多的遺傳工程實驗開始在高等哺乳類動物身上進行了。這尤其促進了近交系小鼠的發展。

（一）細胞工程與近交系小鼠的發展

1．嵌合體小鼠（Mouse Aggregation Chimeras）的育成。嵌合體小鼠技術是由Tarkowski和Mintz分別在華沙和費城發展的（見圖3-5）。他們首先用兩對不同品系的近交系小鼠在同一時刻進行純交，為了使其后代便于區分，常選擇毛色不同品種的近交系小鼠例如選用白毛的SJL小鼠與黑毛色的BL/10小鼠。當受精卵分裂為8分裂球時，分別將它們從各自母體的子宮上分離下來。然后用蛋白酶消化分裂球外面的明帶，使分裂球“裸露”。并在37℃的條件下，將來自兩個品種的兩個分裂球彼此接觸，任其粘成一個具有雙倍體積的早期胚胎。將早期胚胎繼續培養到具有128～256個細胞的胚囊。這時，不同毛色品系的細胞相互混雜發育在一起。然后，通過手術把胚囊移植到寄養母鼠的子宮內，讓它繼續發育，直至出生。新生小鼠長出毛后，其毛色表現為既不象父親SJL品系的全白色，也不象母系BL/10品系的全黑色，而是表現出黑、白條或塊狀的毛色。這說明新生鼠的組織是由“黑色”細胞和“白色”細胞嵌合而成的，是一只嵌合體小鼠。

圖3-5 嵌合小鼠育成

　　近交同類系動物也是近交系動物，它除了一小段帶有可辯的目的基因染色體外，在遺傳上與原來已建立起來的那個近交系完全一致。近交同類系動物的培育，是選用帶有目的基因的個體與已經建立起來的近交系雜交建立起的。應用近交同類系動物可以研究多基因系統中一個基因的特殊作用，施耐爾博士（Snell）是第一個應用這種體系進行組織移植基因研究的，建立了同類抵抗系學說，為小鼠的主要組織相容性抗原的研究做出了巨大貢獻，為此獲得了1981年的 諾貝爾獎 金。

同類系動物的命名基于如下兩種方式。一種是帶有近交品系和供體品系的復合符號，中間帶有一點，例：B6?AKR。第二種命名法是近交品系后面加上一橫，然后標上供體品系特異的基因位點的符號。這樣B6?AKR也可以寫作B6-H-2k。對于最近培育的同類系，小鼠遺傳標準命名委員會建議同時采用兩種方式，這樣B6?AR或B6-H-2k應該寫為B6?AKR-H-2k。

如果進一步研究嵌合體小鼠的其它性狀，還可以發現嵌合體小鼠將雙親的各種不同的性狀都嵌合起來了。例如Mintz(1967，1971)證明用DBA/2和C3H兩種不同品種的近交系所嵌合的后代具有不同的異檸檬酸脫氫酶（IDH-1）或蘋果酸脫氫酶（MDH），利用電泳技術可以將它們彼此分開。除了雙親具有的酶以外，嵌合體內有時還可以發現第三種酶，即雙親的“雜種”或異多聚酶。以上的工作對于細胞水平的遺傳性研究是具有重要意義的，受到人們越來越多的重視。

嵌合體小鼠近年來已應用于細胞和組織的動力學研究，如研究小腸上皮細胞移行規律及其定位等。

2．單親純合雙倍體動物的育成。單親純合雙倍動物育成技術又稱為雌核發育技術。這是一種相當于植物中由花粉培育成純合雙倍體植株的技術，其結果都是培育出具有兩套完全一致的染色體及基因的個體。

眾所周知，不論在生產上還是在科學試驗中都需要純系動物。為了得到一個純系動物，一般要花費數年時間，甚至一生的光陰。既使對世代周期較短的小鼠，采用了最有效的兄妹交配方法，還需要連續兄妹交配20代以上才能獲得純系動物，這也要幾年時間。如果采用單親純合雙倍體育成的技術來育成一個純系動物，則將大大地縮短育種周期，小鼠只需三周，牛也只需幾個月。具體方法見圖3-6。

圖3-6 單親雙位體動物育成（雌核發育）

首先將兩個不同品系的的近交系進行雜交（例如SJLXBL/10），交配后，在精核與卵核尚未融合之前，從母鼠子宮內沖取受精卵并用極細的吸管將雄核去掉。然后在細胞松馳素B的處理下使雌核加倍，形成二倍體細胞，二倍體細胞在體外繼續培養到胚囊期后，移植到養母的子宮內使胚胎繼續發育，直至出生。一般選擇毛色與雙親不同的品系作為養母，以易于區分。本例中是選擇毛色為野生色的BL/10XSJL雜交鼠作為養母的。養母本身沒有經過交配，因而出生的小鼠均為移植進去的胚胎發育而成，它表現出親母鼠純合的性狀。若出生的新生鼠表現為野生色，則說明實驗技術失敗，并未剔除精核。

單親純合雙倍體技術也已在魚類和家兔中獲得成功。

3．細胞核移植系的產生。在單親純合雙倍體育成技術中已提到了核移植技術，但這僅是該技術的初步。若能將受精卵中的精核，與卵核都移出，然后再將來自其它細胞新核移入受精卵，并能順利地完成新胚胎的正常發育，核移植技術就算成功了。以前，完整的核移植技術僅在兩棲類和昆蟲中取得成功。1981年日內瓦大學的伊爾曼斯（K.Illmensee）和美國杰克遜研究所的霍普（P.C.Hoppe）首次在小鼠中完成了核移植技術，開創了哺乳動物核移植成功的先例。具體方法見圖3-7。

圖3-7細胞移植系的產生

（1）將內細胞塊細胞里的核用吸管吸出。

（2）將取出的核輸到另一個精核與卵核尚未融合的受精卵內。

（3）吸出該受精卵本身的精核與卵核。

（4）受精卵在體外發育到胚胎細胞。

（5）將胚盤細胞移植到白色的養母小鼠的子宮內。

（6）出生的小鼠長出灰毛，說明細胞移植系實驗成功。

（1）首先用灰色的小鼠品系進行雌雄交配（也可用其它毛色的品系），從母體的子宮內獲得胚盤細胞。胚盤細胞包括營養外胚葉細胞和內細胞塊細胞兩種，后者將來可形成胚胎。若錯誤地取了營養外胚葉細胞就要導致實驗失敗。

（2）用極細的吸管取出內細胞塊細胞的細胞核，并將它注到剛受精的、但卵核與精核尚未融合的黑色小鼠的受精卵內。

（3）從黑色小鼠的受精卵內取出吸管時，將黑色鼠受精卵原有的卵核和精核吸出。

（4）將處理過的受精卵在體外培養到胚盤細胞期，再將它移植到白色的養母小鼠的子宮內，讓它繼續發育。

（5）產出的新生小鼠必須會長出灰色的毛，這就是細胞核移植鼠。

由于主要的遺傳物質存在于細胞核中，所在核移植的受體將具有與核移植供體完全相同的遺傳基礎。因此，細胞核移植系技術在動物育種工作中具有十分重要的意義。因為它象植物中的組織培養那樣，可以利用一頭優質的動物（例如高產的奶牛）復制出與它生得完全一樣的成千上萬的細胞核移植系動物。

（二）實驗小鼠染色體工程進展

所謂染色體工程是以染色體為單位進行有意識的切割、修補或成條、成套地增加，將人類需要的遺傳性狀集中在一起，創造出新的物種。以往的染色體工程一般均采用物理的或化學的方法。在高等動物中，由于多倍體或者染色體嚴重缺失與重復的個體都不容易成活，所以高等哺乳動物的染色體工程目前均是在細胞水平上采用細胞融合技術進行。

Harris和Watkins(1965)首先制備了包含小鼠和人類細胞的種間異核本。他們將由宮頸癌組織培養出來的人類HaLa細胞和小鼠細胞（生長在腹膜腔中Ehrlich小鼠腫瘤細胞）置于同一培養液中，加入經紫外線滅活了的仙臺病毒（Sendai Virus，是粘病毒的副流感群中的一種）。在仙臺病毒的作用下使兩種細胞發生融合。融合細胞開始有兩個來自不同物種的細胞核，稱為異核體，這一點可以通過同位素標記的方法加以證實，事先他們用氚標記的胸苷來標記HaLa細胞的細胞核，而在一個異核體細胞內，可以發現標記的和不標記的兩個細胞核。異核體的兩個核融合后就可以繼續進行細胞分裂，并形成單核細胞系。雜種細胞大，容易認別。它在以后的不斷的分裂過程，人類的一套染色體和小鼠的一套染色體并不是都隨著細胞的分裂進行復制的。在正常的條件下，人類的染色體將隨著細胞的分裂而逐漸丟失。這種丟失是隨機的。所以最后形成的雜種細胞往往都是帶有一整套小鼠染色體加上不同數目和不同編號的人類染色體（或帶有絲粘的片斷），由于現代染色技術發展，使人們不僅可根據染色的結果很容易地區分人類染色體與小鼠染色體，而且可以

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