定位突變

Posted on 2013/08/14 in 生命科學, 生物科技, 遺傳工程 with 尚無留言 17,665 views

定位突變 (Site-directed mutagenesis)
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理林如愔

誘導基因突變是進行基因功能研究的基本方法之一。以往都是利用化學或是輻射方式誘導突變，但是以此種方法會造成隨機突變，無從預測或控制突變產生的位置。1978年Michael Smith藉由聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, 簡稱PCR），以特定引子在DNA特定的位置產生突變。Michael Smith因此在1993年與PCR技術的發明者共同獲得諾貝爾獎。

下列以最為廣泛使用的Stratagene公司所發展的QuikChange點突變產品來說明定位突變的操作原理：

1.首先，設計一對25~45鹼基對的引子，將欲突變之位點盡可能地置於正中央，在引子的兩端最好是G或是C以加強引子配對的正確性。以此引子對與模板質體進行兩次PCR反應之後得到如圖二的不同序列組合質體。其中新的DNA序列不是在細菌體內合成，因此不具有甲基修飾；而原來做為模板的質體，因為是由細菌體內得到，故其序列含有甲基修飾。

2.接著利用可專一性針對甲基化鹼基進行單股切割的DpnI酵素對PCR產物進行切割（見圖三）。此時只有來自於細菌、帶有原始序列的質體股會被切割，從而確保了所得的PCR產物皆含有欲得到之點突變序列。

3.之後將此突變質體送入宿主細胞進行放大或表現，即可進行特定基因功能之研究。

對於基因功能的研究，可以粗略的分為Gain-of-Function與Lost-of-Function兩大類。傳統的隨機突變與片段缺失（deletion）的方式屬於Lost-of-Function的研究手法，藉由觀察破壞基因序列的突變所導致的功能缺陷來推測該基因的功能。隨著分子生物學與蛋白質體學的發展，我們了解一個蛋白分子中可能分別含有不同功能的區塊。整個基因的缺失或是發生在該基因內的隨機突變雖然都可能造成此基因巨觀上的功能喪失，但在微觀上的成因和其機制上的影響、修補的機制都不同。因此，定位突變可以在不影響整體蛋白質結構的狀況下，分別研究蛋白質細部各胺基酸所扮演的角色。如圖四所示，此為一DNA聚合酶的立體構造，在不同位置上進行定位突變產生不同的突變蛋白。觀察其蛋白質功能的差異，可以總結分析其蛋白質不同區段所擁有的功能。利用這樣的技術與所得到的知識，可以在生物工程上加以應用，改造現有的基因產物，使其更能符合我們的需要。

定位突變技術提供人類從微觀角度觀察些微的變化對於基因產物功能的影響，對於疾病的肇因與防治能有更加深刻的了解。搭配分子模擬等技術，可以提供諸如新藥開發等領域一個功能學方面的捷徑，使得我們不再需要像神農氏嚐百草一般的試誤學習，大幅地降低了人力物力的需求，提升效率與縮短開發時間。