基于Cre-loxP系統條件性基因敲除小鼠的構建及其應用進展

孔維健,常宇鑫,昝春芳,鄭 爽，楊小玉

(吉林大學第二醫院 骨科，吉林 長春130041)

基于Cre-loxP系統條件性基因敲除小鼠的構建及其應用進展

孔維健,常宇鑫,昝春芳,鄭 爽*，楊小玉*

(吉林大學第二醫院 骨科，吉林 長春130041)

隨著科研技術水平的不斷提高，轉基因技術在基礎實驗研究中得到了廣泛的應用，基因敲除技術是轉基因技術中不可替代的組成部分，而條件性基因敲除技術作為新一代基因敲除技術，與第一代基因敲除技術相比顯然有著明顯的優勢和更為廣泛的應用前景。其中基于Cre-loxP系統的條件性基因敲除小鼠因其良好的實驗效果得到了許多研究的青睞，現已有多篇相關文獻的成功報道。但Cre-loxP系統作為一項新技術，其相關原理及應用歸納尚不完善，在不同實驗中構建Cre-loxP系統條件性基因敲除小鼠的具體方法也有所差異。本文以條件性基因敲除技術中典型的Cre-loxP系統為中心，通過查閱回顧相關文獻，歸納出Cre-loxP系統的基本作用原理和應用該系統構建條件性基因敲除小鼠的一般方法，并對Cre-loxP系統構建的基因敲除小鼠在基礎研究領域的應用加以分類，綜述如下。

1 cre-loxp系統基本作用原理

1.1Cre重組酶(CyclizationRecombinationEnzyme)和loxP(locusofX-overP1)序列

Cre重組酶是大腸桿菌噬菌體P1中cre基因編碼表達的由343個氨基酸組成的相對分子質量為38000的蛋白質[1]。它可以特異性識別細胞內基因或DNA上的loxP序列，并根據loxP序列的位置和loxP序列之間的關系介導不同的特異性重組反應。loxP序列是從大腸桿菌P1噬菌體中發現的長34 bp的堿基序列，由兩個13bp的反向重復序列和中間8 bp的間隔序列組成。它是Cre重組酶的特異性識別結合位點，具體序列如下[2]：5′-ATAACTTCGTATA-GCATACAT-TATACGAAGTTAT-3′；3′-TATTGAAGCATAT-CGTATGTA-ATATGCTTCAATA-5′。

1.2Cre-loxP系統的特性

Cre重組酶介導的兩個loxP序列間的特異性重組根據序列位置和方向的不同分為三種情況：當兩個loxP序列位于同一條DNA鏈且方向相同時，Cre重組酶能夠敲除兩個loxP序列間的DNA片段；當兩個loxP序列位于同一條DNA鏈且方向相反時，Cre重組酶能夠倒轉兩個loxP序列間的DNA片段；當兩個loxP序列位于不同DNA鏈上時，Cre重組酶能夠介導loxP序列間DNA鏈的交換或染色體易位[3]。在實驗設計中實驗者可以根據不同的研究需要選擇相應的序列構建方式，來達到相應的目的。

2 條件性基因敲除小鼠的構建

應用Cre-loxP系統構建條件性基因敲除小鼠主要分為兩個主要部分：構建具有loxP序列的目的基因突變小鼠和構建帶有Cre酶基因的轉基因Cre小鼠[4]。兩種小鼠雜交后經篩選可得到細胞內同時存在Cre重組酶基因和loxP序列的小鼠，通過條件性表達Cre重組酶并與細胞內loxP序列特異性識別，刪除相應的基因或基因片段，從而完成條件性基因敲除小鼠的構建。

2.1loxP突變小鼠的構建

通過查閱數據庫，獲取欲敲除目的基因或基因片段的相關序列信息，在基因的非編碼區或編碼區內含子中選擇距離和長度適宜的兩個區域插入loxP序列。在上游區域插入loxP序列，在下游區域插入loxP序列及正篩標記基因和負篩標記基因，構建出結構為“同源序列-loxP-目的基因或基因片段-正篩標記基因-loxP-同源序列-負篩標記基因”的DNA片段作為打靶載體[5]。將純化后的打靶載體通過電穿孔、顯微注射或病毒轉染的方法注入小鼠胚胎干細胞中，得到攜帶loxP突變基因的靶細胞。三種技術各有其優劣：電穿孔法轉化效率較高、操作較為簡單，但其效率隨質粒DNA片段長度和大小的增加而降低[6]；顯微注射法技術較為成熟，DNA片段長度對轉化效率影響較小，適用于長度較長的DNA片段，但技術相對復雜，轉化效率低于電穿孔法和病毒轉染[7]；病毒轉染法效率高，特異性強，但對小鼠發育和健康有一定影響，且攜帶的外源基因片段長度一般較小，多不超過7 kb[8]。

根據同源重組，帶有loxP序列的突變基因或突變基因片段將有部分整合到細胞的基因中。注入后通過正負篩選法篩選出導入打靶載體DNA片段的中靶細胞。應用顯微注射法將中靶細胞注入小鼠囊胚內，將囊胚植入假孕小鼠子宮，發育得到帶有loxP突變基因的嵌合體小鼠[9]。取小鼠尾部細胞培養，PCR擴增后通過DNA印跡法確認loxP突變基因已整合到小鼠染色體上。將嵌合體小鼠同野生型小鼠雜交，根據孟德爾遺傳定律，有25%的幾率得到帶有突變基因的雜合突變小鼠，通過DNA印跡法篩選出帶有突變基因的雜合突變小鼠。將雜合突變小鼠自交，得到兩條染色體均帶有loxP突變基因的純合突變小鼠。

2.2轉基因Cre小鼠的構建

Cre小鼠的構建基本原理與loxP突變小鼠基本一致。首先，根據實驗研究目的選取特定的啟動子，如lck啟動子(胸腺細胞)[10]、晶狀體球蛋白啟動子(眼晶狀體)[11]、鈣調素依賴性激酶Ⅱ啟動子(海馬和大腦新皮質)[12]、乳清酸性蛋白啟動子(乳腺)[13]、aP2啟動子(脂肪組織)[14]、AQP2啟動子(腎臟集合管)[15]和肌漿蛋白啟動子(骨骼肌)等，使Cre酶只在特定的組織器官和細胞中表達。以噬菌體P1的基因組為模板，設計引物擴增出Cre重組酶的基因片段，構建出帶有Cre重組酶基因的DNA片段打靶載體，并根據需要引入外源性調控因子，如干擾素反應Mx1啟動子[16]、他莫昔芬依賴的雌激素突變體啟動子[17]和四環素調節系統[18]等。由外源性調控因子介導的基因敲除可以減少在實驗動物胚胎發育早期由于關鍵基因功能異常所產生的副作用，從而實現時間上的特異性調控。將純化后的打靶載體導入小鼠胚胎干細胞或受精卵中，篩選后得出中靶細胞，將中靶細胞導入假孕小鼠子宮，發育后得到帶有Cre基因的雜合突變小鼠。

2.3基因敲除小鼠的構建

將雜合的轉基因Cre突變小鼠同純合loxP突變小鼠雜交，由于Cre重組酶表達后可以特異性識別DNA中的loxP位點并切除位點間的DNA片段，根據孟德爾遺傳定律，小鼠出生后，經PCR鑒定將有50%的幾率得到條件性基因敲除的雜合子小鼠F1；將F1代小鼠自交或與純合loxP突變小鼠雜交，即可得到條件性基因敲除的純合子小鼠F2，完成條件性基因敲除小鼠的構建。

3 Cre-loxP系統構建基因敲除小鼠的應用

3.1人類動物疾病模型的構建

人類疾病由于環境、基因等多方面因素的影響，其發生機制和影響因素都較為復雜，通過構建人類疾病的動物模型，可以更方便更有效的認識人類疾病的發生發展規律，研究疾病的相關防治措施并對措施的效果加以評價。通過特異性敲除疾病相關的目的基因，引起特定的蛋白或細胞因子缺失來構建出自發性動物疾病模型現在已得到越來越多人的認同。應用Cre-loxP系統可以實現在特定類型的組織或器官中特異性敲除目的基因，避免了某些與生長發育相關的基因敲除所導致的胚胎致死問題，在人類動物疾病模型的構建上有著明顯優勢，并有多篇文獻的成功報道。例如利用Cre-loxP條件性敲除小鼠Osterix基因得到先天性脊柱側凸小鼠模型，研究osterix基因在先天性脊柱側凸發病中的作用，并應用所構建的模型探索先天性脊柱側突的治療方法[19]；通過條件性敲除p53/LKB1雙基因構建出子宮內膜癌小鼠模型，研究子宮內膜癌的發生與發展[20]；應用Cre-loxP系統構建Alb-cre/DTR雙轉基因小鼠模型，并在此基礎上建立可誘導型肝損傷模型，用于肝臟疾病的相關研究[21]等。這些研究均展現出了Cre-loxP系統條件性基因敲除小鼠在人類動物疾病模型構建中的良好效果。

3.2基因功能鑒定

為了研究某一特定基因在機體內的具體作用及功能，往往需要抑制該基因表達或敲除該目的基因，直接敲除目的基因與利用外界化學或生物條件抑制基因表達相比，其效果更明確具體，更能直觀的反應基因的作用。如利用cre-loxP條件性基因敲除技術構建血管內敲除cdc42基因雜合子小鼠，為進一步在整體動物水平研究cdc42在維持微血管屏障中的作用提供了平臺[22]；通過條件性敲除Rb基因，研究其在調控耳蝸支持細胞增殖中的作用及機制[23]；以及利用Cre-loxP特異性敲除Pdx1基因，通過檢測Pdx1基因表達或缺失的胰島細胞分化發育的情況，探討Pdx1基因在胰島素分泌細胞分化調控中的作用[24]等研究。在這些研究中通過利用Cre-loxP條件性基因敲除小鼠，構建出目的基因缺失的個體，通過與正常小鼠相比較，發現目的基因在個體生長發育中的具體作用。

3.3病毒發病機制及抗病毒免疫研究

基因敲除小鼠技術的發展使得科學家們對病毒宿主相互作用中病毒的發病原因及宿主抗病毒免疫機制有了更深刻的理解，例如，表達抗原特異性的、主要的組織相容性復合體(MHC)受限T細胞受體(TCR)的轉基因小鼠模型已經被廣泛用于研究病毒特異性T細胞反應[25]；而且由于小鼠對許多人類病毒缺乏易感性，通過制備具有人類病毒特異性受體的轉基因小鼠來研究這些病毒的作用機制；科學家還可以通過敲除特定的基因或目標細胞群來研究在控制病毒感染中起決定性作用的免疫應答細胞和分子組分[26]。

4 Cre-loxP系統應用的優勢與不足

Cre-loxP系統構建的條件性基因敲除小鼠現已廣泛應用于免疫學、人類動物疾病模型復制及人類疾病發病機制、基因功能鑒定和表型研究等領域[27]。與完全基因敲除小鼠相比，條件性基因敲除小鼠具有時間和空間可控性，可以在特定藥物、蛋白、激素或基因的作用下實現體內特定種類器官或組織中的基因敲除，避免了某些基因完全敲除所導致的胚胎致死效應，具有良好的應用價值。

Cre-loxP系統在理論上已十分成熟，但在實際應用中仍存在不足和限制。由于在Cre-loxP系統介導的條件性基因敲除小鼠的構建中需要通過同源重組將DNA片段整合到細胞基因組中，而細胞內發生非同源重組的幾率遠大于發生同源重組的概率，所以需要通過大量的篩選工作將發生同源重組的細胞選擇出來，需要大量的時間和精力，影響了實驗的效率；此外，Cre酶作為一種外源性重組酶，在哺乳動物中表達后具有一定的潛在毒性，Loonstra等人在2001年的研究顯示，Cre酶會引起細胞增殖異常、DNA錯配和染色體缺失等問題[28]；在體外載體構建的過程中雖然通過引入特定的啟動子和增強子等操縱元件縮小了Cre酶在體內表達的部位和范圍，但Cre酶仍在其他細胞中有少量表達，表達的Cre酶會引起其他細胞內的基因敲除和丟失，干擾實驗效果[29]；最后，Cre重組酶特異性識別loxP序列并介導序列間的序列切除的過程是可逆的，其正向切除效率雖然高達70%-95%，但在目的器官或組織中仍有少量敲除基因未被敲除，這些未敲除的目的基因會在特定器官或組織內微量表達，繼而對實驗結果產生一定影響[30]。為了減少和降低由Cre-loxP系統自身帶來的負面影響，可以通過對打靶載體進行修飾，例如引入其他位點特異性重組系統如Flp-frt、Dre-rox和φC31等來提高Cre酶表達特異性[31]，延長載體兩端同源序列的長度來增加載體同源重組的幾率等處理方法來提高實驗構建效果。

5 總結

Cre-loxP系統作為一種特異性位點識別重組系統，有較為明確的技術原理，具有位點識別準確、特異性強、無需其他輔酶催化等優勢。通過分別構建Cre轉基因小鼠和loxP突變小鼠，在小鼠體內引入Cre重組酶基因，并在欲敲除的基因或基因片段兩端引入loxP序列，通過雜交構建出體內同時含有Cre重組酶基因和loxP序列的條件性基因敲除小鼠。通過藥物或激素等物質介導Cre酶重組酶在小鼠體內實現空間和時間上的特異性表達，識別特定組織或器官細胞內基因組上的loxP序列并敲除序列間的目的基因或目的基因片段，達到條件性基因敲除的目的。通過Cre-loxP構建條件性基因敲除小鼠，可以應用于人類動物疾病模型構建、基因功能鑒定、抗病毒免疫研究等諸多方面，具有良好的應用前景。

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國家自然科學基金(31572217)

*通訊作者

1007-4287(2017)12-2208-04

2017-03-11)