专访：华裔研究组获得基因敲除技术重大突破

来自来自美国南加州大学干细胞中心，Keck医学院等处的研究人员首次成功的获得了基因敲除大鼠，这是到目前为止，世界上第二种完成基因敲除的动物模型，该研究为进一步分析人类疾病提供了一种新的平台。这一研究成果公布在生命科学研究顶级刊物《Nature》杂志在线版上。

　　

生物通报道：来自美国南加州大学干细胞中心，Keck医学院等处的研究人员首次成功的获得了基因敲除大鼠，这是到目前为止，世界上第二种完成基因敲除的动物模型，该研究为进一步分析人类疾病提供了一种新的平台。这一研究成果公布在生命科学研究顶级刊物《Nature》杂志在线版上。

领导这一研究的是美国南加州大学干细胞中心应其龙博士，其早年毕业于第一军医大学，1999年应其龙博士远渡重洋至英国爱丁堡大学干细胞研究所，开始了干细胞研究工作，在2008年年底，应其龙副教授领导的科研小组历史上首次从大鼠中获得了真正的胚胎干细胞，这一突破将有利于研究人员创建更有效的动物模型，用于人类疾病的研究。为了更深入了解这一研究成果，生物通联系了国内专家钱其军教授，对这一研究的思路，以及技术发展等进行了分析，就读者感兴趣的一些问题进行了请教。

小鼠基因敲除技术是研究许多新基因的重要工具，因此这项研究成果也获得了诺贝尔奖，但是这一技术至今还未在第二种动物中实现过，而作为与小鼠同样应用广泛的模式动物：大鼠，迄今为止，科学家们还不能从遗传操作的角度在这种动物中敲除，或者添加某种基因。但是由于大鼠在很多方面更接近于人类，因此如果能实现这种模式动物的基因敲除，将有利于未来创建更有效的动物模型，用于人类疾病的研究。正如钱其军教授说的那样，“由于大鼠在很多方面更接近于人类, 因此大鼠的基因敲除模型将会广泛应用于各种研究。”

要想获得大鼠基因敲除模型，势必会遇到许多技术难题，其中的关键就在于建立能生殖传代的大鼠的胚胎干细胞株，同时也需寻找最佳受体的囊胚。研究人员首先需要对动物进行遗传工程操作，这要求科学家能将干细胞（比如生殖细胞）培养成完整的动物个体，而应其龙研究组在之前的研究中就积累了这方面的许多经验，其研究组一直以来都从事胚胎干细胞研究，曾发表多篇《Nature》，《Cell》文章，比如曾在Nature文章中证实干细胞移植主要原因可能是细胞融合而不是分化，这是干细胞开创性进展之一。

在最新的这项研究中，研究人员在大鼠中成功的敲除了一种著名的抑癌基因：p53，这个基因可以说是癌症研究中的明星基因，对它的研究已经从一种抑癌基因，发展到几十种抑癌基因群体，从一条单一细胞通路，发展成多种细胞信号网络。因此p53敲除大鼠模型的建立对于未来分析癌症机理，信号网络具有重要的意义。

那么为什么研究人员会选择了p53作为敲除基因？钱教授在回答这一问题的时候说，“P53基因是目前研究最多的基因之一，如P53基因突变与肿瘤发生有关，小鼠的P53基因敲除可发生肉瘤，而并非发生类似于人类癌症，而且P53基因小鼠肉瘤的发生率也较低。在大鼠中进行P53基因敲除是否会发生类似于人类癌症组织值得关注。”

另外还有一个研究人员十分关注的问题：在敲除基因操作方面，小鼠和大鼠有何区别？生物通也就这一问题请教了钱教授，钱教授表示这两者并无明显的区别，那么也就是说在未来的应用方面，大鼠基因敲除技术很可能会像小鼠基因敲除技术一样，成为一种新型分子生物学技术，被广泛应用到生物学领域中的各个方面！

（生物通：王蕾）

原文摘要：

Production of p53 gene knockout rats by homologous recombination in embryonic stem cells

The use of homologous recombination to modify genes in embryonic stem (ES) cells provides a powerful means to elucidate gene function and create disease models1. Application of this technology to engineer genes in rats has not previously been possible because of the absence of germline-competent ES cells in this species. We have recently established authentic rat ES cells2, 3. Here we report the generation of gene knockout rats using the ES-cell-based gene targeting technology. We designed a targeting vector to disrupt the tumour suppressor gene p53 (also known as Tp53) in rat ES cells by means of homologous recombination. p53 gene-targeted rat ES cells can be routinely generated. Furthermore, the p53 gene-targeted mutation in the rat ES-cell genome can transmit through the germ line via ES-cell rat chimaeras to create p53 gene knockout rats. The rat is the most widely used animal model in biological research4, 5, 6, 7. The establishment of gene targeting technology in rat ES cells, in combination with advances in genomics and the vast amount of research data on physiology and pharmacology in this species, now provide a powerful new platform for the study of human disease.

作者简介：

应其龙，1965年10月生。1987年获中国人民解放军第一军医大学学士学位，1992年获上海医科大学硕士学位，1995年获该校博士学位。1995年8月至1998年，在上海医科大学分子遗传研究室做博士后研究。1999年-2007年，在英国爱丁堡大学干细胞研究所做博士后。2005年-至今作为复旦大学讲座教授，2007年-至今，在美国南加州大学干细胞中心建立独立实验室。

长期从事胚胎干细胞（ESC）和神经干细胞的培养及其自我复制和分化机制方面的研究，在鼠ESC的培养和定向分化，ESC自我更新和分化的信号通路方面取得了重要的成就。发现鼠神经干细胞与鼠胚胎干细胞自发融合产生具有全能性的杂合细胞, 提出了成体干细胞能分化成其他组织不是传统的转分化,而是细胞融合的新观点（Nature 2002年），对该发现的评述也在Nature杂志同期刊登。在ESC定向分化：利用单层黏附培养法和成分明确的培养基及定量的细胞因子成功构建了世界上首个ESC向神经细胞高效定向分化的平台（Nature Biotechnology 2002年）。在ESC培养及自我更新相关信号通路：利用鼠ESC模型，开发出世界上首个具有明确成分的培养系统。同时，发现与ESC自我更新相关的新的信号通路，为人们最终阐明ESC自我更新和分化的分子机制打下基础（Cell 2003，第一作者兼通讯作者，对该成果的评述在cell杂志同期刊登）。他发明的ESC培养基已被开发成产品，现由Millpore生产销售。2008年，在小鼠胚胎干细胞自我更新机制研究上取得重大突破，发现了用小分子化合物抑制小鼠胚胎干细胞分化，即可以维持小鼠胚胎干细胞的自我更新，使科学家们必须重新思考和修订传统的干细胞理论，为人们重新认识胚胎干细胞自我复制及分化的分子机制和研究肿瘤干细胞提供一种新的思维（Nature 2008年）。课题组依据小鼠胚胎干细胞的研究成果，在国际上首次分离获得真正的大鼠胚胎干细胞（Cell 2008年），在国际上产生很大影响。

相关文章

1. Li P, Tong C, Mehrian-Shai R, Jia L, Wu N, Yan Y, Maxson RE, Schulze EN, Song H, Hsieh CL, Pera MF, Ying QL（通信作者）. Germline competent embryonic stem cells derived from rat blastocysts. Cell. 2008 Dec 26;135(7):1299-310.

2. Ying QL（共同通信作者）, Wray J, Nichols J, Batlle-Morera L, Doble B, Woodgett J, Cohen P, Smith A. The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature. 2008 May 22;453(7194):519-23.

3. Ying QL(共同通信作者), Nichols J, Chambers I, Smith A. - BMP induction of Id proteins suppresses differentiation and sustains embryonic stem cell self-renewal in collaboration with STAT3. - Cell 2003 Oct 31;115(3):281-92 .

4. Ying QL, Stavridis M, Griffiths D, Li M, Smith A. - Conversion of embryonic stem cells into neuroectodermal precursors in adherent monoculture. - Nat Biotechnol 2003 Feb;21(2):183-6 .

5. Ying QL, Nichols J, Evans EP, Smith AG. - Changing potency by spontaneous fusion. - Nature 2002 Apr 4;416(6880):545-8 .