基因剔除

基因剔除 (Gene knockout)
新竹市立建功高級中學生物科邱麗慧老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

基因剔除是在探討體內基因「功能喪失」(loss of function) 後，對生物造成的影響。值此後基因體時代(post-genome era)，隨著人類與小鼠基因體定序已完成，科學界正試圖對所有的基因的功能和疾病的機制作更深入的了解。其中最重要的方式是製造突變基因使生物體由於「得到功能」或「喪失功能」而產生異常變化，以協助科學家進一步研究該基因的正常功能。

「基因剔除」(gene knockout) 又稱為「基因標的」(gene targeting) 的技術是由美國的卡沛奇 (Mario Capecchi)、史密西斯 (Oliver Smithies)與英國的伊凡斯 (Martin Evans)三位科學家所發明，並利用這項基因改造技術創造出「基因剔除小鼠」(knockout mouse，KO mouse)而榮獲2007諾貝爾醫學獎的殊榮。自從第一隻基因剔除小鼠在1989年宣布製成，迄今已有一萬多組小鼠基因被標定剔除，差不多是小鼠基因數量的一半  （人類與小鼠大約有30000個基因）。這些小鼠可以讓生物學家研究特定基因在胚胎發育過程中所扮演的角色，更可以進一步研究因為基因缺陷所造成的人類遺傳性或退化性疾病。

要了解基因剔除鼠~「KO老鼠」的技術，要先介紹「蓋美拉老鼠」(chimera一詞源自希臘神話裡具有獅頭、羊身和巨蛇尾巴的怪物)。

首先用一隻棕色野生鼠，建立胚胎幹細胞株 (embryonic cell, ES cell)，並將構築好的標靶基因用顯微注射法(microinjection) 送入胚胎幹細胞，經「同源重組互換」的原理置換掉原本好的基因。然後取小黑鼠3.5天囊胚期胚胎，將基因已被破壞的胚胎幹細胞用顯微注射送入小黑鼠囊胚期胚胎，再將小黑鼠胚胎移殖到代孕母鼠子宮內，這樣生下來帶有棕色和黑色雜毛的小鼠稱為「蓋美拉老鼠」即「嵌合鼠」(chimera) 見圖一。嵌合鼠帶有正常細胞與 ES cell分別分化出的各種細胞，包括生殖細胞。

圖一 不同嵌合程度的Pat5嵌合鼠（Pat5 Chimeras） 圖片來源：http://www.med.umich.edu/tamc/mta.html

但我們必須考慮到，動物細胞的染色體為雙套的。所以接著必須將蓋美拉老鼠與一般小黑鼠交配，其產生的部份子代會有半套染色體含有同源重組成功的基因（稱為異型合子hemizygote）。若將具異型合子的老鼠持續作近一步的相互交配，則可產生約有25%的第三代老鼠身上帶有全套染色體稱為同型 (homozygote) 的「基因剔除鼠」。（圖二）

圖二 基因剔除鼠產生過程 資料來源：蔡亭芬教授 （圖片來源：陽明生物怖麻怖辣Blog http://tea.ymsh.tp.edu.tw/post/27/1689)

資料來源

1. http://140.112.133.74/index.html基因體醫學國家型計畫基因轉殖鼠核心實驗室
2. http://www.med.umich.edu/tamc/mta.html
3. http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1206040907762
4. http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/071008/2/lzsu.html
5. http://tea.ymsh.tp.edu.tw/post/27/1689