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转座子广泛分布于细菌、真菌及昆虫等各种生物中,是一种可以在基因组内移动的DNA元件,在转基因和基因治疗等领域具有很好的应用前景。目前国际上转座子的研发和应用研究取得显著进展,如PB、SB、Tol2等转座子已经作为基因治疗和转基因的介导载体得到广泛应用,但国内自主知识产权的转座子研发相对滞后。 本研究通过斑马鱼基因组上DNA转座子挖掘,并经过脊椎动物细胞和胚胎水平验证,获得高活性ZB转座子,为动物转基因、功能基因组学(基因捕获等)和基因治疗等研究提供具有自主知识产权的遗传操作工具。主要研究内容如下: (1)通过生物信息学分析,在斑马鱼基因组中发现5个结构完整的Tc1/Mariner家族DNA转座子。遗传分化比较表明,其中1个转座子活性最强,是年轻转座子,命名为ZB。完整ZB转座子全长1.4kb,两端各有一个对称的203bp的末端反向重复序列,中间含有1026bp的转座酶基因编码序列。斑马鱼基因组中至少存在21个ZB拷贝,其中16个为完整的拷贝,DNA序列和ORF的氨基酸序列的同源性分别为99.80%和99.47%。ZB两端的TIR序列相似性达100%。其ORF含有Tc1转座子典型的保守结构域(如HTH、NLS、DD34E等)。 (2)经过qPCR和原位杂交检测表明,ZB转座酶的正反转录子在斑马鱼在所检测的11阶段都有表达,且表达强度随着时间的增加而升高。在成年斑马鱼大脑、心脏、肌肉、睾丸和卵巢组织中表达存在差异,且在大脑中表达量最高,在心脏、睾丸和卵巢组织较低。 (3)为验证ZB在哺乳动物细胞上的活性,克隆ZB转座子的上下游TIR转座元件和转座酶ORF,分别构建成框架载体pZB-Msc和转座酶辅助质粒(pCMV-ZB)。再将含有新霉素性基因表达盒(PGK-NEO)克隆至转座子框架载体pZB-Msc,形成转座子供体质粒pZB-PGK-NEO,然后将转座子(pZB-PGK-NEO)和转座酶以不同质量比共转染Hela细胞,并与PB、SB和Tol2转座子进行比较。试验结果表明4种转座子实验组表达新霉素抗性基因的细胞数量均高于对照组,且ZB转座子体统在1∶1质量比时含抗性的细胞数量最多,即转座效率最高。ZB在10∶1,2∶1,1∶1,1∶2质量比时,抗性细胞数量高于SB转座子,且在1∶1时差异明显(P<0.01)。ZB的转座效率可以与PB媲美,高于SB和TOL2(P<0.05)。 (4)为验证ZB在斑马鱼胚胎上的转座活性,将含有鲤鱼beta-actin启动子和GFP基因的绿色荧光蛋白表达盒(FAG-GFP)分别克隆至转座子框架载体pZB-Msc,形成转座子供体质粒,然后将转座子(含FAG-GFP表达盒)和转座酶mRNA共注射斑马鱼一细胞期胚胎,注射后观察荧光,比较4种转座子的转座效率,试验结果表明,在注射后24hpf和5dpf的GFP阳性率ZB转座子均高于其它3种转座子,且显著高于SB转座子(P<0.05)。 (5)为验证ZB在小鼠胚胎上的转座活性,将含有鸡beta-actin启动子和GFP基因的绿色荧光蛋白表达盒(CAG-GFP)克隆至转座子框架载体pZB-Msc,形成转座子供体质粒,然后将转座子(含CAG-GFP表达盒)和转座酶共注射小鼠受精卵,注射后胚胎发育至囊胚期观察荧光,每组重复三次,试验结果显示3组胚胎均有荧光,加转座酶质粒组、转座酶mRNA组和未加转座酶组的胚胎阳性率分别为31.76%(n=110)、33.43%(n=147)和4.34%(n=162),加转座酶组的胚胎阳性率均显著高于未加转座酶组(P<0.05),加转座酶组的胚胎阳性率之间差异不显著(P>0.05)。 本研究表明,新发现的ZB转座子是高活性转座子,该转座子能够在哺乳动物细胞、小鼠胚胎和斑马鱼胚胎上高效介导外源基因转移,在转基因动物制备和基因治疗中具有较好的应用前景。