小鼠白内障基因突变方式、分布及基因定位.pdf
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1、2 0 1 0 年2 月 第2 0 卷第2 期 中国比较医学杂志 C H I N E S EJ O U R N A LO FC O M P A R A T l V EM E D I C I N E F e b r u a r y ,2 0 1 0 V 0 1 2 0N o 2 小鼠白内障基因突变方式、分布及基因定位 赵丽亚1 ,鲍世民2 ,赵国际2 ,梁银明1 ,李凯1 ,周宇苟1 ,肖君华1 ( 1 东华大学生物科学与技术研究所,上海2 0 1 6 2 0 ;2 中国科学院上海生命科学研究院实验动物中心,上海2 0 1 6 1 5 ) 【摘要】哺乳动物发育相关的功能基因的鉴定多来源于自发或诱
2、发突变的小鼠。小鼠白内障作为较易鉴定 的性状,目前业已明确的突变多达1 4 0 余个。自发突变的小鼠主要来源于大规模饲养,诱发突变主要通过x 射线 与E N U 处理获得,基因敲除与转基因小鼠亦可获得白内障性状。已知的白内障相关基因分布于小鼠2 0 条染色体, 其中以l 号染色体最多,并常于小鼠胚胎时期起始表达。小鼠自内障表型多由单基因突变引起,突变的确定主要 通过F 2 代家系全基因组扫描、精细定位、单倍型分型与测序验证等程序。本文从小鼠白内障基因突变来源、基因 分布、基因定位与基因表达等角度较为全面的阐述了小鼠先天性白内障的研究进展。 【关键词】白内障;小鼠;基因突变;基因定位 【中图分类
3、号】R 3 3【文献标识码】A【文章编号】1 6 7 1 - 7 8 5 6 ( 2 0 1 0 ) 0 2 - 0 0 6 2 - 0 5 M u t a t i o n ,D i s t r i b u t i o n ,P o s i t i o n a lC l o n i n gf o rC a t a r a c ti nt h eM o u s e Z H A OL i y a l 。B A OS h i r a i n 2 ,Z H A OG u o - j i 2 ,L I A N GY i n m i n g ,L IK a i l ,Z H O UY u x u n l
4、,X I A OJ u n h u a ( 1 I n s t i t u t eo fB i o l o g i c a lS c i e n c e sa n dB i o t e c h n o l o g yo fD o n g h u aU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ,C h i n a ; 2 S h a n g h a iI n s t i t u t e sf o rB i o l o g i c a lS c i e n c e s 。C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n
5、 c e s ,S h a n g h a i ,2 0 1 6 1 5 ) 【A b s t r a c t 】M a n yi d e n t i f i e df u n c t i o n a lg e n e si nm a m m a l sa r ed e r i v e df r o mm o u s e T h e r ea r ea b o u t1 4 0m u t a t i o n s i d e n t i f i e d ,s i n c ep h e n o t y p eo fc a t a r a c tc a nb ee a s i l ys c r e
6、e n e dO U t S p o n t a n e o u sm u t a t i o n sa r eu s u a l l yo r i g i n a t e df r o ml a r g e s c a l ea n i m a lb r e e d i n g ,a n di n d u c e dm u t a t i o n sa r eo f t e no b t a i n e db yr a d i a t i o no rE N Ut r e a t m e n t S o m e t i m e s ,c a t a r a c tc a n b ef o u
7、 n di nk n o c k o u to rt r a n s g e n i cm i c e K n o w nc a t a r a c tg e n e s ,w h i c ha r ee x p r e s s e di ne m b r y o n i cp e r i o d ,a r ek n o w nt ob e d i s t r i b u t e do nt w e n t yc h r o m o s o m e s ,a n dc h r o m o s o m e1h a r b o r st h el a r g e s tn u m b e ro f
8、c a t a r a c tg e n e s C a t a r a c ta r eo f t e n c a u s e db yp o i n tm u t a t i o n ,w h i c hc a nb ei d e n t i f i e db yw h o l eg e n o m es c a n n i n g ,f i n em a p p i n g ,h a p l o t y p ea n a l y s i sa n dD N A s e q u e n c i n gi nF 2g e n e r a t i o n I no r d e rt ob e
9、t t e ru n d e r s t a n dt h em e c h a n i s m si n v o l v e di nl e n sd e v e l o p m e n ta n dp a t h o l o g y ,t h e o r i g i no ft h em u t a t i o n ,d i s t r i b u t i o n ,a n dm e t h o d so fp o s i t i o n a lc l o n i n ga n dg e n ee x p r e s s i o na r er e v i e w e di nt h i
10、sp a p e r 【K e yw o r d s 】C a t a r a c t ;M o u s e ;M u t a t i o n ;P o s i t i o n a lc l o n i n g 小鼠白内障是一种进行性晶状体混浊病变,当 各种原因引起房水成分或晶状体囊通透性改变及 代谢紊乱,晶状体蛋白变性,纤维间出现水隙、空 泡、细胞上皮增值等改变,透明晶状体变为混浊即 形成白内障。随着国际小鼠基因组测序联盟与 C e l e r a 公司分别完成C 5 7 B 6 J 与其他三个品系 ( 1 2 9 X l S v J 、1 2 9 S 1 S v I m J 、A J )
11、的序列测定,为小 鼠自内障基因的研究应用奠定了良好的基础- 2 。 迄今,国内外已发现了约1 4 0 个遗传性白内障小鼠 模型,主要通过自发突变、诱发突变与敲除突变或 转基因小鼠等方式得到。通过对遗传性白内障基 因的研究,可深入了解晶状体病变的机制。 【基金项目】国家自然科学基金( 面上项目) ( 编号:3 0 7 0 0 5 2 9 ) ;上海市科技发展基金( 实验动物研究项目) ( 编号:0 9 1 4 0 9 0 1 1 0 0 ) 。 【作者简介】赵丽亚( 1 9 8 1 一) 。女,硕士研究生。研究方向:小鼠遗传学。电话:0 2 l 击7 7 9 2 6 5 0 ;E m a i l
12、 :z h a o l i y a m a i l d h u e d u e n 。 【通讯作者】李凯( 1 9 7 8 一) ,男,副研究员,研究方向:小鼠遗传学。电话:0 2 1 - 6 7 7 9 2 6 5 0 ;E m a r l :l i k a i d h u e d u e n 。 万方数据 中国比较医学杂志2 0 1 0 年2 月第2 0 卷第2 期C h i nJC o m pM e d ,F e b r u a r y2 0 1 0 ,V 0 1 2 0 N o 2 6 3 本文着重讨论国内外在小鼠中发现的白内障 致病基因突变方式、染色体上的分布及基因定位方 法,并简要
13、总结了胚胎时期晶状体相关重要基因的 表达起始时间。 1 小鼠白内障致病基因的突变方式 最早系统收集突变小鼠的方法是由3 0 年前 K r a t o c h v i l o v a 和E h l i n g 起始的( 1 9 7 9 ) ,以x 一射线照 射雄性亲本的生殖细胞,后来这种方法发展为E N U ( 乙酰基亚硝基脲) 诱变p 。 1 1 自发突变 1 1 1 无义突变:自然界中。基因自发突变产生白 内障的频率很低,主要偶发自大规模饲养群体。偶 发突变中碱基替换、碱基缺失、碱基插入等均可造 成晶状体相关基因转录的特异性终止,从而引发自 内障。 碱基缺失引发基因产物截短的小鼠白内障最 多
14、。如2 0 0 4 年,英国D u r h a m 大学S a n d i l a n d s 等卜。 报道了1 2 9 X l S v J 小鼠基因B f i p 2 发生自发突变, 该突变是由于B f s p 2 第二个外显子结合位点缺失, 导致移码突变,并在第三个外显子引入终止密码 子。2 0 0 8 年,哈佛大学医学院儿童医院M a t t e s o n 等”1 鉴定了C 3 H H e S n J 中自发突变产生的空泡晶 状体( v i ) 小鼠,突变同时引起先天性白内障和神经 管缺陷,定位克隆表明是G p r l 6 1 基因产生缺失突 变,导致其编码蛋白的C 末端被截断。 碱基
15、替换中G A 的转换通常会产生终止密码 子。2 0 0 2 年,中国科学院B u 等旧1 在昆明远交系小 鼠饲养中发现一种晶状体浑浊隐性遗传白内障小 鼠。该突变是由于C r y g s 的4 8 9 位发生G _ + A 的转 换,最终形成截短的基因产物。 基因片段的插入往往由转座子引起。2 0 0 6 年, 美国W i s c o n s i n 大学医学院T a l a m a s 等o 在R I I I S J 品系中发现自发突变产生常染色体隐性遗传白内 障小鼠。经鉴定H s f 4 基因在内含子和外显子连接 的上游6 l b p 处,在9 内含子中插入一个早期转座元 件( E T n
16、) 。E T n 的插入改变了n s f 4 基因的剪接和表 达,产生截短的H S F 4 蛋白。 1 1 2 错义突变:白内障晶状体蛋白基因产生突 变,这种导致蛋白发生理化性质的变化,通常可产 生不正常的品状体纤维。1 9 9 9 年,美国J a c k s o n 实 验室C h a n g 等1 报道了隐性遗传自发突变白内障小 鼠l o p l 8 ,1 7 号染色体上C r y a a 基因第1 外显子中发 生错义突变,从而改变了晶状体蛋白的折射性质和 透明度,最终产生畸形晶状体纤维,形成白色核型 白内障。类似的包括2 0 0 3 年,日本T o h o k u 大学 O k a m
17、u r a 等归。在D D I 品系中发现显性白内障突变 ( C a t h ”) 。该突变小鼠的A 棚基因有1 2 b p 的缺 失,导致A Q P 0 蛋白的第二跨膜区缺失4 个氨基酸, 晶状体纤维细胞的严重退化。 自发突变还可造成晶状体蛋白破裂。2 0 0 8 年, 日本S h i g a 医学中心研究院O m i 等驯鉴定了1 4 号 染色体上隐性基因遗传的晶状体破裂白内障,由 D o c k 5 的第1 5 个外显子末端有2 7 个碱基缺失引起 的。在突变型和野生型中都存在D o c k 5 基因的 m R N A ,但在突变型中检测不到D O C K 5 蛋白,表明 突变使D O
18、C K S 蛋白不稳定。 1 2 诱发突变 通过诱发使生物产生大量而多样的基因突变, 短时间内可选育出具备特殊性状的动物模型。目 前,白内障诱发突变主要采用物理和化学诱变等方 法进行。 1 2 1 物理诱变 1 2 1 1 X - 射线诱变:x - 射线照射可导致当代小鼠 形成白内障。晶状体上皮细胞的辐射后受损细胞 连续积累,这些细胞非正常迁移,并离开晶状体表 面部位,最终导致环境中的氧与结合性活性氧簇一 起进入晶状体中,导致晶状体蛋白聚集,从而形成 皮质性白内障“,属非遗传性白内障。 当X 射线辐射较强时,可导致生殖细胞产生突 变,锝到遗传性白内障模型。2 0 0 1 年,美国宾夕法 尼大学
19、S i d j a n i n 等引发现X 一射线可导致精子基因 部分缺失( 7 6 b p ) ,得到显性白内障突变小鼠H f i ,杂 合子小鼠表现为晶状体纤维水肿,纯合子小鼠则表 现为晶状体全混浊。x 射线亦可造成自内障基因 发生碱基替换,如M a f 基因中发生碱基G _ + A 转换, 使D N A 结合区域第2 9 1 位精氨酸被丙氨酸替换,产 生粉状白内障的动物模型引。碱基替换的另一种 后果可改变终止密码子的位置,如2 0 0 8 年,德国化 境健康研究中心G a n g u l y 等“ 用X 一射线诱变雄性 小鼠,在后代得到一种显性白内障小鼠,该突变是 由于5 号染色体上c
20、r y b b 2 基因的第5 个内含子末端 发生了A T 的转换,导致m R N A 中插入5 7 b p 碱基, 从而使多肽链增加了1 9 个氨基酸。 1 2 1 2 y 射线:7 一射线属于电离辐射,易引起 D N A 缺失和损伤。2 0 0 1 年,德国K l o p p 等副用1 一 万方数据 中国比较医学杂志2 0 1 0 年2 月第2 0 卷第2 期C h i nJC o m p M e d ,F e b r u a r y2 0 1 0 ,V 0 1 2 0 N o 2 射线照射亲本后,后代产生两侧带状核白内障。通 过测序发现 y E 晶状体编码基因C r y g e 外显子2
21、 中 存在1b p 碱基缺失。 1 2 2 化学诱变:E N U ( 乙酰基亚硝基脲) 是公认 的最强的小鼠诱变剂。诱变处理的雄鼠与正常雌 鼠交配可在F 1 代筛选显性突变或通过N 2 或N 3 代 筛选隐性突变“。 1 2 2 1 化学诱变引起显性白内障:化学诱变产生 白内障的突变似乎多为T A 的颠换。如G r a w 等扎1 9 1 用E N U 诱变雄性C 3 H e B F e J 小鼠,得到的 显性白内障基因均为T A 的颠换。后来改用甲基 苄肼处理亲本,筛选得到的突变小鼠经定位测序也 是C r y g f 基因T A 的颠换 。同样的,2 0 0 7 年,加 利福尼亚大学W a
22、n g 等u 利用E N U 诱变剂得到一 种显性白内障小鼠系( L 2 3 ) ,发现C r y g d 中发生了 一个T - + A 的错义突变。这就提示我们,在对化学 诱变的白内障小鼠测序时,对测序图的检查重点放 在T 一+ A 突变上。 I 2 2 2 化学诱变引起隐性白内障:隐性白内障筛 选的突变品系明显少于显性,究其原因在于隐性表 型容易漏筛。2 0 0 6 年,加利福尼亚大学X i a 等口2o 利 用E N U 诱变剂同时得到两种遗传方式不同的白内 障,一种为显性,另一种为隐性,并且是C r y a a 基因 在不同位置上的突变。2 0 0 8 年,韩国大学K a n g 等B
23、 副报道了用E N U 诱变得到K e e 白内障小鼠,为 常染色体隐性遗传,不过该突变基因尚未明确。可 见,从大量的随机突变中通过表型筛选并鉴定点突 变依然耗费时力- 。 1 3 转基因技术 1 3 1 转基因小鼠:白内障转基因小鼠可直接锚定 人类眼睛发育相关基因的网络通路。如2 0 0 0 年,美 国A l b e r tE i n s t e i n 大学M e l i n d a 等B 纠将人类P A 舶 ( 5 0 ) 基因转到小鼠中,他们通过研究P A X 6 ( 5 a ) 在 基因调控网络中的作用,鉴别出一些被P a x 6 直接或 间接调控的基因序列。B o m h e i
24、m 等1 报道构建了 R 1 1 3 C 点突变转基因小鼠系,发现了二个相关效应 位点,可在晶状体中引起疾病表型。 转基因白内障小鼠的研究还表明,晶状体蛋白 过度表达容易导致白内障。2 0 0 7 年,美国芝加哥大 学C h u n g 等“ 的转基因小鼠由鸡的J 3 8 1 - 晶状体蛋 白启动子驱动人类C x S 0 编码区表达。结果转基因 小鼠表达C x S 0 蛋白的表达水平要比非转基因小鼠 高出3 ( 1 3 倍,从而导致转基因小鼠形成白内障。 1 3 2 定向敲除:发现白内障突变基因后,许多研 究人员会对该基因进行定点敲除验证。如2 0 0 8 年, 中国第二军医大学Z h a n
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