全基因組突變新技術原理簡介

人類遺傳圖譜中，基因只占了全部DNA的2.5％，基因與基因之間的“非編碼”大片段并不全是“垃圾”，有些能夠調節基因的開啟和關閉，有些負責DNA折疊和將DNA打包運往細胞核。不止基因突變，控制基因的DNA發生突變也可能導致疾病。小鼠是疾病研究的常用模型，想要弄清小鼠基因組中每個DNA片段的功能，需要依次敲除DNA片段，通過觀察敲除結果推測所敲除片段的功能。最近，猶他州立大學研究人員發明出一種快速、廉價的突變方法，能夠使非基因的DNA大片段發生突變。詳細內容刊登于本周在線版《Nature Genetics》雜志。

研究人員在文章中報道說：

（1）他們發現一種敲除或復制適度長至非常長的DNA片段的方法，突變頻率比其它方法的突變頻率高。操作人員能夠輕易找到這些突變所引發的疾病，弄清發生突變的DNA的功能。（2）他們設計出一個有效的混合和重組兩條染色體片段的方法，使培養帶有人類癌癥的小鼠變得更容易。

基因敲除技術現在已經非常成熟，能夠以給定方式敲除任何基因，但成本高、工期長。新方法不僅能夠敲除基因，而且能夠敲除基因之間的負責調節基因的DNA序列，成本低廉。猶他大學Mario Capecchi教授說，使用現有技術獲得一種基因或其它DNA序列發生突變的遺傳工程小鼠約花費1萬美元，因此預測小鼠2萬個基因的功能需要2億美元，依次突變小鼠大約30萬個非基因DNA序列需要30億美元。新方法突變DNA既快速又低廉，獲得帶有一個突變基因或其它DNA序列突變的工程小鼠只需 200美元，這將加速美國國立健康研究所突變所有小鼠基因的工作。

新技術的原理是：采用小的DNA片段——loxP。loxP片段好似路標，在說：“切斷兩個路標之間的DNA。”新方法中，研究人員將loxP插入到一只小鼠的一條染色體和另一只小鼠同一染色體的不同位點，并且第二只小鼠的細胞中還插有Cre基因。子代小鼠除了具有 Cre基因外，同一染色體上還有兩個loxP DNA位點。Cre基因編碼的蛋白如同一把刀，將loxP之間的DNA切除。子代小鼠繼續與正常小鼠交配，大約10％的子二代小鼠中，預計切除的DNA片段或者消失或者重復，因此可通過觀察這些突變小鼠的異常情況，探索目的DNA片段的功能。

Capecchi說，這種方法還可使兩條染色體斷裂、重組，新生染色體含有兩條舊染色體的一部分。此“置換”過程還可將兩個基因組裝為新的基因。
許多癌癥都是從置換開始的。用現有方法完成兩條染色體的置換，成功率為1/10,000,000-1/1,000,000，而新方法的成功率為1/100，速度提高了1－10萬倍。這一點很重要，因為使小鼠患上人類癌癥需要多個分子步驟，許多癌癥中，兩條染色體置換是第一步，如果發生率只有百萬分之一，沒有足夠的細胞用于后繼實驗。

在“跳躍基因”的幫助下產生多重突變DNA

Wu和Capecchi對新方法做了進一步改進：通過引入轉位子piggyBac，利用piggyBac將loxP DNA隨意插入小鼠基因組中多個位點，小鼠與攜帶Cre基因的小鼠交配，任意兩個loxP基因之間的DNA大片段都可發生突變。小鼠全基因組測序工作已經完成，研究人員可以識別攜帶loxP DNA的跳躍基因的位點，選擇目的發生突變的DNA大片段兩端都有loxP的小鼠。如果攜帶loxP的跳躍基因跳躍到基因的中間，該基因突變。因此該方法既能夠敲除非基因DNA 大片段，也能輕易破壞基因。

Wu和Capecchi證明，利用跳躍基因突變骨形成相關基因，導致突變小鼠四肢和尾異常短小。左圖為突變小鼠的骨骼，右圖為正常小鼠骨骼。