有可行性吗?有什么限制?


对于这种问题,我觉得只告诉题主一个「能表达」是很不负责任的行为……

实际上题主问题的本质在于:

在基因工程中,目的基因在不同受体中的表达受那些因素的限制?

既然能够问出这个问题,想必应该清楚目的基因受体这些概念的含义,在此不做赘述;

我们知道,DNA分为非编码区和编码区,编码区即为转录产生RNA的区域,非编码区为不转录产生RNA的区域,那么,不转录产生RNA的区域是干什么用的呢?

  1. 启动子、终止子等顺式调控元件:这些DNA序列的作用是提供蛋白质结合的位点或利用本身的结构使邻近基因的表达发生变化,比如,RNA聚合酶需要通过TATAbox、GCATbox等启动子结构才可以结合到DNA上起始转录,而部分细菌的终止子可以利用本身的发卡结构终止基因的转录。
  2. 转座子:这是一种可以在基因组DNA之中「旋转跳跃」的元件,我们所知的很多花色、玉米米粒颜色等突变的始作俑者都是它;部分转座子起源于逆转录病毒。
  3. 重复序列:这些序列由不同程度重复的序列组成,通常,著丝点、端粒都有这样的结构。

那么问题来了,我们转入的是一段什么样的序列呢?

不同的序列元件需要不同的环境才能发挥功能,在这里题主说到的应该是指编码区的DNA,编码区可以编码的RNA无非就是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的表达涉及到转录出hnRNA随后的内含子剪接过程,此处是我们遇到的第一个限制:

在不同的物种中剪接的方式是不一样的,因此:

由于内含子剪接的问题,目的基因可能无法在受体中正确剪接;

当然,我们还有另外一种策略,即利用cDNA来进行PCR扩增基因获得基因的mRNA序列。

mRNA的结构我们可以通过NCBI 的 Genbank资料库来了解一下:

这是人的COMT基因:

FEATURES(组件) 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(外显子) 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"
翻译成氨基酸序列 /translation="MPEAPPLLLAAVLLGLVLLVVLLLLLRHWGWGLCLIGWNEFILQ
PIHNLLMGDTKEQRILNHVLQHAEPGNAQSVLEAIDTYCEQKEWAMNVGDKKGKIVDA
VIQEHQPSVLLELGAYCGYSAVRMARLLSPGARLITIEINPDCAAITQRMVDFAGVKD
KVTLVVGASQDIIPQLKKKYDVDTLDMVFLDHWKDRYLPDTLLLEECGLLRKGTVLLA
DNVICPGAPDFLAHVRGSSCFECTHYQSFLEYREVVDGLEKAIYKGPGSEAGP"

其中的exon表示外显子,CDS表示编码蛋白质的区域,并不是所有的mRNA序列均为CDS,在mRNA的两端还有两段UTR序列,即非翻译区,起到调节mRNA翻译的功能。

假使我们有了完成的mRNA反转录来的DNA序列,那么此处就又出现了两个限制:

由于不同物种的翻译起始识别区域不同目的基因UTR中的翻译起始点等元件可能不被受体所接受(真核生物以5-帽子为识别部位,原核生物则是SD序列);

由于不同物种的翻译机器与密码子偏好性不同目的基因受体中可能无法被正确翻译。

我们经常需要将来自于真核生物的基因放到原核生物大肠杆菌中进行表达,通常的做法是将目的基因的CDS(直接对应编码蛋白质的序列)序列按照受体菌株的密码子偏好性进行优化,之后接在受体菌株自身的启动子及UTR序列之后,即可实现成功表达。

这个时候,假设我们的目的基因经过了一系列的考研,成功被翻译成为了多肽,那么此时还有最后一道考验等待著它;

多肽被翻译后,还需要经过正确的折叠和和修饰才可以发挥正确的生物学功能;

蛋白质的折叠可以参考我近期的一个回答:

喵大侠:蛋白质的空间结构是只由氨基酸性质(如亲水性等)决定,还是通过核糖体内质网使其有空间结构?

修饰系统则很复杂,大致包括内质网和高尔基体上的糖基化、细胞质基质中的磷酸化、N端氨基酸的切割、连接脂肪酸链的醯基化等,因此:

想要正确表达蛋白质,还需要考虑多肽链的折叠和修饰过程能否在受体中正确完成。

综上。


更新一点内容,前面说的都是关于编码区DNA导入动物细胞(其他受体细胞),下面简单说一下非编码区DNA导入动物细胞,以及植物动物DNA之间进行穿梭的载体(也就是不需要经过上面我说的一系列操作,直接接入载体就可以穿梭表达的一种载体);

关于非编码区DNA导入其他受体细胞:

首先,值得注意的是,无论插入的是哪种DNA,都必须要考虑位置效应的问题:

由于外源DNA插入染色质的位置而导致的基因沉默或异常表达,称为位置效应。

也就是说,我们导入的DNA可能会插入一个染色质固缩或被甲基化的位点,导致基因沉默(也就是无法表达)。

其次,当我们插入的DNA接入了另一个基因的内部而不是基因之间的间隙,那将导致以下几种情况,结合前面所说的基因结构,你一定可以明白下面的几条:

  1. 插入了基因的上游调节元件,如启动子,或者是插入了编码区的UTR但并没有破坏基因本身的调节元件:目的基因的表达和被插入基因的表达均会发生变化,被插入基因极有可能被沉默,目的基因可能会增强表达。
  2. 插入了基因的内含子区域:如果不影响内含子的剪接,则会形成重叠基因,由于转录时的空间位阻,大概率两个基因的表达均被抑制;如果影响了内含子的剪接,则会破坏被插入基因。如果插入的是编码区,则可能形成融合蛋白;如果插入的是启动子,则可能会形成一个不完整的蛋白。
  3. 插入了基因的下游调节元件:通常情况下影响不会很大,但也有可能改变被插入基因的表达效率,降低或者提高(当插入的区域含有增强子时);
  4. 插入了基因的CDS区域:这种结果大概率导致移码突变,插入的编码区和被插入基因均被破坏,如果恰巧没有发生移码突变,那也大概率破坏被插入基因。

因此,对于非编码区的插入,我们应当充分考虑以上两点后,再来考虑其本身生物学功能的问题:想必你所能想到的调节元件插入一个基因的不同位置的情况已经很全面了,在此给出一个图,大家可以自行想像在不同位置插入增强抑制绝缘元件的后果:

插入外源非编码区DNA只能改变内源基因的表达或激活原先无启动子的蛋白质编码区;

绝缘子的作用是阻隔两侧元件对彼此的影响;

应答元件可以对某种信号做出应答,改变基因的转录水平;

关于穿梭载体的问题,其实是最贴近这个问题的一个可能的答案,也就是平行移动(不经过任何修饰改造)DNA到其他受体(这里是植物与动物细胞)能否表达,细胞融合给出了答案:(实际上我们将中药中的基因水平转移到植物生物反应器中是研究比较多的)

有没有动物细胞与植物细胞杂交成功的实例??

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感谢 @Mr-HH 的回答~


说一些我看到这个问题想到的:

插入外源的启动子或转座子到动物基因组内的一些关键基因的位点,是可能改变这些关键基因的表达从而导致癌症的,这些关键基因也就是原癌基因;

题主可能是想将光合作用有关的DNA转到人类基因组中吧……我觉得是不可能实现的,不要总想著造绿巨人好嘛,不过能进行光合作用的上皮细胞可以造著玩一下,能量利用效率上还是别想了。


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能啊...只要载体是动物细胞能表达的载体,后边是哪的基因都能表达...

能,但是可能需要稍作修改,比如把启动子区换成动物的,还有做下密码子优化。


植物基因不怎么接触不太清楚。通常跨物种的细胞表达最需要注意的有两点吧一个是promoter是否适用,另一个是Condon bias。


首先总结一下,凡是楼上所说什么植物细胞不好养,什么基因还能在纸上表达这些话根本就啥都不知道瞎回答,你要表达的是植物细胞的DNA,有植物细胞什么事,你要的是DNA,DNA是一段序列,不是细胞,,,无论是植物细胞DNA还是什么细胞DNA,总之都是DNA,最终要生产出对应的蛋白质的话,其实要考虑的应该是所说的植物细胞DNA的基因序列,不管什么细胞,来源其实没有限制,关键是看序列。第二要想实现在动物细胞中表达(目前使用最多的动物细胞表达应该是哺乳动物CHO和HEK293细胞),要选择培养合适的细胞,细胞表达也分为两种瞬时转染和稳定细胞系构建,根据你的目的选择培养哪种细胞,其次表达的条件肯定需要摸索,表达载体的构建,启动子的选择,密码子的优化,mRNA结构的优化,表达条件温度,环境,是否有污染,而且哺乳动物表达本身表达量就不高,这你得做好准备,但是哺乳动物生产蛋白(真核蛋白表达)活性有保证且可以有多种修饰,虽然原核也可以表达,具体还是看你的下游应用吧,
植物、真菌、动物之间一般没有太大问题。因为植物细胞不好养,植物基因用动物细胞研究是常有的方法。
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