Science点评应其龙研究组最新成果

　　

生物通报道：上周（8月20日）出版的Science杂志以“One-Two Punch Elevates Rats to the Knockout Ranks”为题点评了美国南加州大学干细胞中心的应其龙博士研究组的最新成果，这项最新成果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。

大鼠是一种应用广泛的实验室模式动物，但是在过去20年里，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。随着敲除小鼠已经成为了许多人类疾病和发育生物学模型，科学家们也越来越希望能够获得敲除大鼠模型，正如伦敦帝国理工学院的分子遗传学家Timothy Aitman说的那样，“相比与小鼠，大鼠的解剖学和生理学特征与人类更加接近”，但是这一迫切愿望仍然未能在大鼠中实现。

然而上周来自美国南加州大学干细胞中心等处的研究人员突破了这一瓶颈，他们成功的在大鼠中实现了基因敲除，这是继去年Science杂志上发表的有关剔除大鼠基因实验之后的又一重要成果，也提出了一种不同以往的实验技术：不仅获得了转基因大鼠，而且还实现了可用于筛选目标突变的任意基因的敲除。

这一技术突破犹如久旱逢甘雨。第一个敲除小鼠创建于1989年，主要利用了胚胎干细胞同源重组技术——这项技术获得了2007的诺贝尔生理/医学奖，首先把目的基因和与细胞内靶基因特异片段同源的DNA 分子都重组到带有标记基因(如neo 基因，TK 基因等)的载体上，成为重组载体。然后将重组载体通过一定的方式(电穿孔法或显微注射)导入同源的胚胎干细胞(ES cell)中，使外源DNA与胚胎干细胞基因组中相应部分发生同源重组，将重组载体中的DNA序列整合到内源基因组中，从而得以表达。

而这一技术方法一直以来无法在大鼠中实现，这对于许多科学家来说是一种重要缺憾，最新的研究中，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。

除此之外，目前研究人员还在尝试敲除两个编码关键免疫系统蛋白的基因，这样敲除后的大鼠其免疫功能会减弱，有助于进一步的医学研究需要。

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。

（生物通：张迪）

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.