生物化學與分子生物學/重組DNA技術在醫學中的應用

DNA重組和重組DNA技術 - 自然界的DNA重組和基因轉移 - 重組DNA技術 - 重組DNA技術在醫學中的應用
目前,重組DNA技術已廣泛應用於生命科學和醫學研究、疾病診斷與防治、法醫學鑑定、物種的修飾與改造等諸多領域,對醫學臨床及醫學研究的影響日益增大。

重組DNA技術廣泛應用於生物製藥 編輯

利用重組DNA技術生產有應用價值的藥物是當今醫藥發展的一個重要方向,有望成為21世紀的支柱產業之一。該技術一方面可用於改造傳統的製藥工業,如利用該基因可改造製藥所需要的工程菌種或創建新的工程菌種,從而提高抗生素、維生素、胺基酸等藥物的產量;另一方面利用該技術生產有藥用價值的蛋白質/多肽及疫苗抗原等產品,重組人胰島素是利用該技術生產的世界上第一個基因工程產品。目前上市的基因工程藥物已百種以上。
利用重組 DNA 技術,可以讓細菌、酵母等低等生物成為製藥工廠,也使基因工程細菌成為各類生 物基因的儲藏所;可以將小鼠雜交瘤細胞人源化,讓其產生人源化抗體;可以製造基因工程病毒,使病毒保留免疫原性,缺乏感染性或變成不含核酸的類病毒顆粒(virus-like particle, VLP) 。

重組DNA技術是醫學研究的重要技術平台 編輯

重組 DNA 技術可用於醫學研究的很多方面,諸如遺傳修飾動物模型的建立、遺傳修飾細胞模型的建立、基因獲得或喪失對生物功能的影響等。

  1. 遺傳修飾動物模型的醫用研究 重組 DNA 技術可用於遺傳修飾動物模型的研製,從而建立人類疾病的動物模型。目前已經建立了諸多人類疾病的遺傳修飾動物模型,用於研究癌症、糖尿病、肥胖、心臟病、老化、關節炎等;遺傳修飾豬模型的應用,可望增加從豬到人器官移植 (pig to human organ transplantation) 的成功率;改造蚊子的基因組,使其產生對瘧疾的免疫反應,可望消滅瘧疾。
  2. 遺傳修飾細胞模型在醫學研究中的應用 重組 DNA 技術也可用於遺傳修飾細胞模型的建立,從而用於基因替代治療/靶向治療,或體內示蹤。體細胞基因治療(somatic gene therapy) 已經在 X-連鎖聯合免疫缺陷病(X-linked SCID)、慢性淋巴細胞白血病(chronic lyrnphocytic leukemia,CLL)和帕金森病進行了臨床研究,這是在人體上進行遺傳工程的研究。改造 T 淋巴細胞,讓其攜帶嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor, CAR), 從而達到靶向治療疾病的 CAR-T 細胞也是採用重組 DNA 技術實現的。例如,人T細胞經基因操作成為靶向 CD19 的 CAR-T,用於治療難治性慢性B淋巴瘤。將綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP) 與細胞內的某些蛋白相融合,可使細胞變成具有示蹤作用的發光細胞。
  3. 基因及基因功能的獲得及喪失的研究 基因工程生物或細胞模型可用來發現一些基因的新功能,或發現新基因,一般可通過基因的獲得(如轉基因)或喪失(如基因敲除)進行研究,也可通過示蹤實驗(如 GFP 融合蛋白)研究基因表達產物的定位或相互作用信息等,或通過報告基因(如 GFP 或催化特定底物的酶)與不同啟動子相融合的方法實現對基因表達調控的研究。

重組DNA技術是基因及其表達產物研究的技術基礎 編輯

重組 DNA 技術已經成為基因或基因功能獲得或喪失研究的技術基礎,也是基因表達產物相互作用研究的技術基礎。

  1. 在基因組水平上干預基因 重組 DNA 技術是基因打靶(包括基因敲除和基因敲入)及基因組編輯等的技術基礎。例如,基因敲除(gene knock-out) , 傳統的方法是利用同源重組的原理,用目的基因替換基因組上的特定基因,要實現這一目標,需要將目的基因克隆到合適的載體上,並在其兩側加上待敲除基因上的部分序列,使重組 DNA 進入細胞後能通過同源重組替換基因組的目標基因。條件性基因打靶 (conditional gene targeting) 是在目的基因兩側構建了 Cre 重組酶的切割位點。基因組編輯(genome editing) 是指一類能定向地在基因組上改變基因序列的技術,其中 CRISPR/Cas9 系統是目前應用最多的、脫靶最少的基因組編輯技術,也是細菌抵抗病毒感染的一種獲得性免疫機制。利用CRISPR/Cas9 基因組編輯技術對特定基因進行改造,也需要在體外構建含導向 crRNA (guide crRNA, gcrRNA) 和 Cas9 編碼基因的重組載體,然後將這種重組載體導入受體細胞,才能實現在基因組水平定向地改變特定基因的目的。
  2. 在RNA水平上干預基因的功能 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 是通過干擾小 RNA (small interference RNA, siRNA) 與靶 RNA結合,從而阻止基因表達的方法。siRNA 可以直接採用化學法合成,也可以利用 DNA 克隆技術構建干擾小髮夾 RNA, 即將編碼 siRNA 反向互補序列和間隔序列(linker) 克隆入合適的載體,在細胞內轉錄合成干擾小髮夾 RNA,實現 RNA 干擾目的。
  3. 研究蛋白質的相互作用 重組DNA技術也是蛋白質相互作用研究的技術基礎。例如,酵母雙雜交系統(yeast two-hybrid system)是利用分別克隆轉錄因子DNA結合結構域(DNA binding domain, DBD)和轉錄激活結構域(transcription activating domain, TAD)的融合基因,對DBD-融合蛋白和TAD融合蛋白的融合部分的潛在相互作用能力進行研究。