有可行性嗎?有什麼限制?


對於這種問題,我覺得只告訴題主一個「能表達」是很不負責任的行為……

實際上題主問題的本質在於:

在基因工程中,目的基因在不同受體中的表達受那些因素的限制?

既然能夠問出這個問題,想必應該清楚目的基因受體這些概念的含義,在此不做贅述;

我們知道,DNA分為非編碼區和編碼區,編碼區即為轉錄產生RNA的區域,非編碼區為不轉錄產生RNA的區域,那麼,不轉錄產生RNA的區域是幹什麼用的呢?

  1. 啟動子、終止子等順式調控元件:這些DNA序列的作用是提供蛋白質結合的位點或利用本身的結構使鄰近基因的表達發生變化,比如,RNA聚合酶需要通過TATAbox、GCATbox等啟動子結構才可以結合到DNA上起始轉錄,而部分細菌的終止子可以利用本身的發卡結構終止基因的轉錄。
  2. 轉座子:這是一種可以在基因組DNA之中「旋轉跳躍」的元件,我們所知的很多花色、玉米米粒顏色等突變的始作俑者都是它;部分轉座子起源於逆轉錄病毒。
  3. 重複序列:這些序列由不同程度重複的序列組成,通常,著絲點、端粒都有這樣的結構。

那麼問題來了,我們轉入的是一段什麼樣的序列呢?

不同的序列元件需要不同的環境才能發揮功能,在這裡題主說到的應該是指編碼區的DNA,編碼區可以編碼的RNA無非就是mRNA、tRNA、rRNA以及一些其他的microRNA、lncRNA、snRNA等等,其中最典型的就是mRNA。

mRNA的表達涉及到轉錄出hnRNA隨後的內含子剪接過程,此處是我們遇到的第一個限制:

在不同的物種中剪接的方式是不一樣的,因此:

由於內含子剪接的問題,目的基因可能無法在受體中正確剪接;

當然,我們還有另外一種策略,即利用cDNA來進行PCR擴增基因獲得基因的mRNA序列。

mRNA的結構我們可以通過NCBI 的 Genbank資料庫來了解一下:

這是人的COMT基因:

FEATURES(組件) Location/Qualifiers
source 1..2598
/organism="Homo sapiens"
/mol_type="mRNA"
/db_xref="taxon:9606"
/chromosome="22"
/map="22q11.21"
gene 1..2598
/gene="COMT"
/gene_synonym="HEL-S-98n"
/note="catechol-O-methyltransferase"
/db_xref="GeneID:1312"
/db_xref="HGNC:HGNC:2228"
/db_xref="MIM:116790"
exon(外顯子) 1..158
/gene="COMT"
/gene_synonym="HEL-S-98n"
/inference="alignment:Splign:2.1.0"
exon 159..249
/gene="COMT"
/gene_synonym="HEL-S-98n"
/inference="alignment:Splign:2.1.0"
exon 250..832
/gene="COMT"
/gene_synonym="HEL-S-98n"
/inference="alignment:Splign:2.1.0"
misc_feature 406..408
/gene="COMT"
/gene_synonym="HEL-S-98n"
/note="upstream in-frame stop codon"
CDS 544..1359
/gene="COMT"
/gene_synonym="HEL-S-98n"
/EC_number="2.1.1.6"
/note="isoform MB-COMT is encoded by transcript variant 5;
epididymis secretory sperm binding protein Li 98n;
catechol-O-methyltransferase isoform; testicular tissue
protein Li 42"
/codon_start=1
/product="catechol O-methyltransferase isoform MB-COMT"
/protein_id="NP_001349757.1"
/db_xref="CCDS:CCDS13770.1"
/db_xref="GeneID:1312"
/db_xref="HGNC:HGNC:2228"
/db_xref="MIM:116790"
翻譯成氨基酸序列 /translation="MPEAPPLLLAAVLLGLVLLVVLLLLLRHWGWGLCLIGWNEFILQ
PIHNLLMGDTKEQRILNHVLQHAEPGNAQSVLEAIDTYCEQKEWAMNVGDKKGKIVDA
VIQEHQPSVLLELGAYCGYSAVRMARLLSPGARLITIEINPDCAAITQRMVDFAGVKD
KVTLVVGASQDIIPQLKKKYDVDTLDMVFLDHWKDRYLPDTLLLEECGLLRKGTVLLA
DNVICPGAPDFLAHVRGSSCFECTHYQSFLEYREVVDGLEKAIYKGPGSEAGP"

其中的exon表示外顯子,CDS表示編碼蛋白質的區域,並不是所有的mRNA序列均為CDS,在mRNA的兩端還有兩段UTR序列,即非翻譯區,起到調節mRNA翻譯的功能。

假使我們有了完成的mRNA反轉錄來的DNA序列,那麼此處就又出現了兩個限制:

由於不同物種的翻譯起始識別區域不同目的基因UTR中的翻譯起始點等元件可能不被受體所接受(真核生物以5-帽子為識別部位,原核生物則是SD序列);

由於不同物種的翻譯機器與密碼子偏好性不同目的基因受體中可能無法被正確翻譯。

我們經常需要將來自於真核生物的基因放到原核生物大腸桿菌中進行表達,通常的做法是將目的基因的CDS(直接對應編碼蛋白質的序列)序列按照受體菌株的密碼子偏好性進行優化,之後接在受體菌株自身的啟動子及UTR序列之後,即可實現成功表達。

這個時候,假設我們的目的基因經過了一系列的考研,成功被翻譯成為了多肽,那麼此時還有最後一道考驗等待著它;

多肽被翻譯後,還需要經過正確的摺疊和和修飾才可以發揮正確的生物學功能;

蛋白質的摺疊可以參考我近期的一個回答:

喵大俠:蛋白質的空間結構是只由氨基酸性質(如親水性等)決定,還是通過核糖體內質網使其有空間結構?

修飾系統則很複雜,大致包括內質網和高爾基體上的糖基化、細胞質基質中的磷酸化、N端氨基酸的切割、連接脂肪酸鏈的醯基化等,因此:

想要正確表達蛋白質,還需要考慮多肽鏈的摺疊和修飾過程能否在受體中正確完成。

綜上。


更新一點內容,前面說的都是關於編碼區DNA導入動物細胞(其他受體細胞),下面簡單說一下非編碼區DNA導入動物細胞,以及植物動物DNA之間進行穿梭的載體(也就是不需要經過上面我說的一系列操作,直接接入載體就可以穿梭表達的一種載體);

關於非編碼區DNA導入其他受體細胞:

首先,值得注意的是,無論插入的是哪種DNA,都必須要考慮位置效應的問題:

由於外源DNA插入染色質的位置而導致的基因沉默或異常表達,稱為位置效應。

也就是說,我們導入的DNA可能會插入一個染色質固縮或被甲基化的位點,導致基因沉默(也就是無法表達)。

其次,當我們插入的DNA接入了另一個基因的內部而不是基因之間的間隙,那將導致以下幾種情況,結合前面所說的基因結構,你一定可以明白下面的幾條:

  1. 插入了基因的上游調節元件,如啟動子,或者是插入了編碼區的UTR但並沒有破壞基因本身的調節元件:目的基因的表達和被插入基因的表達均會發生變化,被插入基因極有可能被沉默,目的基因可能會增強表達。
  2. 插入了基因的內含子區域:如果不影響內含子的剪接,則會形成重疊基因,由於轉錄時的空間位阻,大概率兩個基因的表達均被抑制;如果影響了內含子的剪接,則會破壞被插入基因。如果插入的是編碼區,則可能形成融合蛋白;如果插入的是啟動子,則可能會形成一個不完整的蛋白。
  3. 插入了基因的下游調節元件:通常情況下影響不會很大,但也有可能改變被插入基因的表達效率,降低或者提高(當插入的區域含有增強子時);
  4. 插入了基因的CDS區域:這種結果大概率導致移碼突變,插入的編碼區和被插入基因均被破壞,如果恰巧沒有發生移碼突變,那也大概率破壞被插入基因。

因此,對於非編碼區的插入,我們應當充分考慮以上兩點後,再來考慮其本身生物學功能的問題:想必你所能想到的調節元件插入一個基因的不同位置的情況已經很全面了,在此給出一個圖,大家可以自行想像在不同位置插入增強抑制絕緣元件的後果:

插入外源非編碼區DNA只能改變內源基因的表達或激活原先無啟動子的蛋白質編碼區;

絕緣子的作用是阻隔兩側元件對彼此的影響;

應答元件可以對某種信號做出應答,改變基因的轉錄水平;

關於穿梭載體的問題,其實是最貼近這個問題的一個可能的答案,也就是平行移動(不經過任何修飾改造)DNA到其他受體(這裡是植物與動物細胞)能否表達,細胞融合給出了答案:(實際上我們將中藥中的基因水平轉移到植物生物反應器中是研究比較多的)

有沒有動物細胞與植物細胞雜交成功的實例??

www.zhihu.com圖標

感謝 @Mr-HH 的回答~


說一些我看到這個問題想到的:

插入外源的啟動子或轉座子到動物基因組內的一些關鍵基因的位點,是可能改變這些關鍵基因的表達從而導致癌症的,這些關鍵基因也就是原癌基因;

題主可能是想將光合作用有關的DNA轉到人類基因組中吧……我覺得是不可能實現的,不要總想著造綠巨人好嘛,不過能進行光合作用的上皮細胞可以造著玩一下,能量利用效率上還是別想了。


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能啊...只要載體是動物細胞能表達的載體,後邊是哪的基因都能表達...

能,但是可能需要稍作修改,比如把啟動子區換成動物的,還有做下密碼子優化。


植物基因不怎麼接觸不太清楚。通常跨物種的細胞表達最需要注意的有兩點吧一個是promoter是否適用,另一個是Condon bias。


首先總結一下,凡是樓上所說什麼植物細胞不好養,什麼基因還能在紙上表達這些話根本就啥都不知道瞎回答,你要表達的是植物細胞的DNA,有植物細胞什麼事,你要的是DNA,DNA是一段序列,不是細胞,,,無論是植物細胞DNA還是什麼細胞DNA,總之都是DNA,最終要生產出對應的蛋白質的話,其實要考慮的應該是所說的植物細胞DNA的基因序列,不管什麼細胞,來源其實沒有限制,關鍵是看序列。第二要想實現在動物細胞中表達(目前使用最多的動物細胞表達應該是哺乳動物CHO和HEK293細胞),要選擇培養合適的細胞,細胞表達也分為兩種瞬時轉染和穩定細胞系構建,根據你的目的選擇培養哪種細胞,其次表達的條件肯定需要摸索,表達載體的構建,啟動子的選擇,密碼子的優化,mRNA結構的優化,表達條件溫度,環境,是否有污染,而且哺乳動物表達本身表達量就不高,這你得做好準備,但是哺乳動物生產蛋白(真核蛋白表達)活性有保證且可以有多種修飾,雖然原核也可以表達,具體還是看你的下游應用吧,
植物、真菌、動物之間一般沒有太大問題。因為植物細胞不好養,植物基因用動物細胞研究是常有的方法。
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