生物化学与分子生物学/重组DNA技术在医学中的应用

DNA重组和重组DNA技术 - 自然界的DNA重组和基因转移 - 重组DNA技术 - 重组DNA技术在医学中的应用
目前,重组DNA技术已广泛应用于生命科学和医学研究、疾病诊断与防治、法医学鉴定、物种的修饰与改造等诸多领域,对医学临床及医学研究的影响日益增大。

重组DNA技术广泛应用于生物制药 编辑

利用重组DNA技术生产有应用价值的药物是当今医药发展的一个重要方向,有望成为21世纪的支柱产业之一。该技术一方面可用于改造传统的制药工业,如利用该基因可改造制药所需要的工程菌种或创建新的工程菌种,从而提高抗生素、维生素、氨基酸等药物的产量;另一方面利用该技术生产有药用价值的蛋白质/多肽及疫苗抗原等产品,重组人胰岛素是利用该技术生产的世界上第一个基因工程产品。目前上市的基因工程药物已百种以上。
利用重组 DNA 技术,可以让细菌、酵母等低等生物成为制药工厂,也使基因工程细菌成为各类生 物基因的储藏所;可以将小鼠杂交瘤细胞人源化,让其产生人源化抗体;可以制造基因工程病毒,使病毒保留免疫原性,缺乏感染性或变成不含核酸的类病毒颗粒(virus-like particle, VLP) 。

重组DNA技术是医学研究的重要技术平台 编辑

重组 DNA 技术可用于医学研究的很多方面,诸如遗传修饰动物模型的建立、遗传修饰细胞模型的建立、基因获得或丧失对生物功能的影响等。

  1. 遗传修饰动物模型的医用研究 重组 DNA 技术可用于遗传修饰动物模型的研制,从而建立人类疾病的动物模型。目前已经建立了诸多人类疾病的遗传修饰动物模型,用于研究癌症、糖尿病、肥胖、心脏病、老化、关节炎等;遗传修饰猪模型的应用,可望增加从猪到人器官移植 (pig to human organ transplantation) 的成功率;改造蚊子的基因组,使其产生对疟疾的免疫反应,可望消灭疟疾。
  2. 遗传修饰细胞模型在医学研究中的应用 重组 DNA 技术也可用于遗传修饰细胞模型的建立,从而用于基因替代治疗/靶向治疗,或体内示踪。体细胞基因治疗(somatic gene therapy) 已经在 X-连锁联合免疫缺陷病(X-linked SCID)、慢性淋巴细胞白血病(chronic lyrnphocytic leukemia,CLL)和帕金森病进行了临床研究,这是在人体上进行遗传工程的研究。改造 T 淋巴细胞,让其携带嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor, CAR), 从而达到靶向治疗疾病的 CAR-T 细胞也是采用重组 DNA 技术实现的。例如,人T细胞经基因操作成为靶向 CD19 的 CAR-T,用于治疗难治性慢性B淋巴瘤。将绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP) 与细胞内的某些蛋白相融合,可使细胞变成具有示踪作用的发光细胞。
  3. 基因及基因功能的获得及丧失的研究 基因工程生物或细胞模型可用来发现一些基因的新功能,或发现新基因,一般可通过基因的获得(如转基因)或丧失(如基因敲除)进行研究,也可通过示踪实验(如 GFP 融合蛋白)研究基因表达产物的定位或相互作用信息等,或通过报告基因(如 GFP 或催化特定底物的酶)与不同启动子相融合的方法实现对基因表达调控的研究。

重组DNA技术是基因及其表达产物研究的技术基础 编辑

重组 DNA 技术已经成为基因或基因功能获得或丧失研究的技术基础,也是基因表达产物相互作用研究的技术基础。

  1. 在基因组水平上干预基因 重组 DNA 技术是基因打靶(包括基因敲除和基因敲入)及基因组编辑等的技术基础。例如,基因敲除(gene knock-out) , 传统的方法是利用同源重组的原理,用目的基因替换基因组上的特定基因,要实现这一目标,需要将目的基因克隆到合适的载体上,并在其两侧加上待敲除基因上的部分序列,使重组 DNA 进入细胞后能通过同源重组替换基因组的目标基因。条件性基因打靶 (conditional gene targeting) 是在目的基因两侧构建了 Cre 重组酶的切割位点。基因组编辑(genome editing) 是指一类能定向地在基因组上改变基因序列的技术,其中 CRISPR/Cas9 系统是目前应用最多的、脱靶最少的基因组编辑技术,也是细菌抵抗病毒感染的一种获得性免疫机制。利用CRISPR/Cas9 基因组编辑技术对特定基因进行改造,也需要在体外构建含导向 crRNA (guide crRNA, gcrRNA) 和 Cas9 编码基因的重组载体,然后将这种重组载体导入受体细胞,才能实现在基因组水平定向地改变特定基因的目的。
  2. 在RNA水平上干预基因的功能 RNA 干扰 (RNA interference, RNAi) 是通过干扰小 RNA (small interference RNA, siRNA) 与靶 RNA结合,从而阻止基因表达的方法。siRNA 可以直接采用化学法合成,也可以利用 DNA 克隆技术构建干扰小发夹 RNA, 即将编码 siRNA 反向互补序列和间隔序列(linker) 克隆入合适的载体,在细胞内转录合成干扰小发夹 RNA,实现 RNA 干扰目的。
  3. 研究蛋白质的相互作用 重组DNA技术也是蛋白质相互作用研究的技术基础。例如,酵母双杂交系统(yeast two-hybrid system)是利用分别克隆转录因子DNA结合结构域(DNA binding domain, DBD)和转录激活结构域(transcription activating domain, TAD)的融合基因,对DBD-融合蛋白和TAD融合蛋白的融合部分的潜在相互作用能力进行研究。