基因编辑小鼠是指通过基因编辑技术对特定目标基因进行“修饰”,从而在小鼠体内实现DNA片段的删除或添加。基因编辑小鼠被广泛用于研究基因对小鼠功能的影响,也被用于构建各种疾病模型,模拟人类疾病的发生发展过程以及相应药物的研发。
基因编辑小鼠的制备方式主要有两种,一种是ES细胞囊胚注射,另一种是受精卵显微注射。无论哪种方式,基因编辑都是在受精卵水平进行操作,为了拿到基因编辑动物,则必须经过胚胎移植,在动物体内发育为完整的个体。
● 基于采用ES细胞囊胚注射方式获得基因修饰小鼠的过程如下:
先对小鼠胚胎干细胞进行基因编辑,将基因打靶获得的阳性ES细胞进行囊胚注射,再胚胎移植到假孕母鼠体内获得高嵌合小鼠,高嵌合小鼠进一步与野生型小鼠进行交配,即可最终获得基因编辑小鼠。
Fig.1 采用ES细胞囊胚注射方式获得基因修饰小鼠的过程
● 基于受精卵显微注射技术构建基因修饰小鼠的过程如下图所示,
主要包括:gRNA设计和筛选,sgRNA表达载体构建,显微注射,胚胎移植,小鼠繁殖等过程。
Fig.2 采用受精卵显微注射方式获得基因修饰小鼠的过程
胚胎移植除了可以用在基因编辑小鼠构建中,还有很多重要的应用:
净化和快繁
为了保证小鼠的健康和疾病预防,一般外来小鼠必须经过隔离和净化才能进入SPF级动物房。当前,净化的主要技术是:体外受精(In Vitro Fertilization, IVF)+胚胎移植(Embryo Transfer, ET)技术(IVF-ET),其基本原理:小鼠自身虽然被感染,但小鼠的精子或卵细胞在体内是干净无菌的。因此将雄鼠处死后取出精子,将精子激活后与超排的卵母细胞进行体外受精拿到受精卵,再移植到SPF级代孕小鼠的子宫中,这样可以得到SPF级的小鼠后代。
IVF技术还具有一个重要应用--快速扩繁。使用IVF技术可短时间获得大量子代小鼠,并且减少组内小鼠周龄差异,提高实验数据一致性。应用于基因修饰小鼠则能够一次性获得大量相同基因型小鼠。
在小鼠进入动物房前,选择IVF净化服务,在净化的同时,还能达到快速繁育的目的,同时获得更多数目的子代鼠,效率高,缩短繁育周期,极大地加快科研进度。
挽救雄鼠不育的品系
单精子显微注射技术(Intracytoplasmic sperm injection,ICSI),是指通过显微操作系统将单个精子头注入小鼠卵子胞浆内,再移植到代孕小鼠体内发育成小鼠的技术。该技术用于挽救因为精子无活力或者活力低造成雄性不育的小鼠品系。
胚胎(精子)复苏
胚胎(精子)复苏基于胚胎(精子)冻存技术,胚胎(精子)冻存常用于珍贵品系的保种,通过一定的降温程序及保护措施将胚胎(精子)进行冻存,这种方法可以降低品系维持成本,且维持过程中不受疾病、不育等因素的影响。胚胎(精子)复苏是指通过升温的办法将冻存的胚胎(精子)解冻,存活的胚胎体外培养一段时间后移植到代孕小鼠子宫内发育,进而获得冻存品系小鼠活体的技术。其中胚胎冻存相比于精子冻存具有复苏后存活率高、移植后怀孕率高的特点,具有明显优势,但其冷冻技术难度高,受限于专业机器--程序冷冻仪,建议交给专业机构来进行。
综上所述,小鼠的胚胎移植技术是制备基因修饰动物、净化、保种过程中的必需的、关键的技术手段,对于实验动物学研究及生命科学研究具有重要价值。