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第二十一章基因診療與基因治療GeneDiagnosisandGeneTherapy一、授課章節(jié)及重要內(nèi)容:第二十一章基因診療與基因治療二、授課對(duì)象:臨床醫(yī)學(xué)、防止、法醫(yī)(五年制)、臨床醫(yī)學(xué)(七年制)三、授課學(xué)時(shí)本章教學(xué)共1學(xué)時(shí)。講授安排以下:基因診療0.5學(xué)時(shí),基因治療0.5學(xué)時(shí)。四、教學(xué)目的與規(guī)定通過(guò)本章學(xué)習(xí),從整體上理解基因診療和基因治療的基本概念、基本理論。理解內(nèi)源基因變異和外源基因入侵是造成人類致病的兩大類因素。理解基因診療和基因治療慣用技術(shù)辦法的類型和基本知識(shí),理解基因治療的基本程序。五、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn):掌握基因診療、基因治療的概念和理論。難點(diǎn):①限制性內(nèi)切酶酶譜分析法原理。②DNA限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性及其用于基因診療的原理。③PCR/單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析。④基因滅活的幾個(gè)辦法。⑤基因治療的載體。六、教學(xué)辦法及授課大致安排教學(xué)辦法:重要是自學(xué)形式,講授基因診療與基因治療的概念。授課大致安排:前言3分鐘,基因診療概念2分鐘,診療辦法15分鐘;基因治療概念2分鐘,辦法15分鐘,基因治療的基本程序8分鐘。七、重要外文專業(yè)詞匯genediagnosis,genetherapy,RFLP,SSCP,genechip,RNAi,triplexapproach八、思考題1.什么是基因診療?介紹基因診療的慣用技術(shù)辦法。2.簡(jiǎn)樸介紹基因診療的應(yīng)用。3.什么是基因治療?簡(jiǎn)述基因治療的辦法。4.基因滅活的重要辦法有哪些?簡(jiǎn)述滅活的原理。5.簡(jiǎn)述基因治療的基本程序。九、教材與教具:人民衛(wèi)生出版社《生物化學(xué)》第六版十、授課提綱(或基本內(nèi)容)概述Introduction基因診療與基因治療是分子生物學(xué)理論和技術(shù)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)所產(chǎn)生的新的診療和治療疾病的辦法。這些新辦法是現(xiàn)有診療和治療疾病手段的補(bǔ)充和擴(kuò)展。隨著分子生物學(xué)理論和技術(shù)的新進(jìn)展不停應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)研究,人們對(duì)疾病發(fā)生、發(fā)展的分子機(jī)理的認(rèn)識(shí)也不停進(jìn)一步;從基因水平診療疾病和治療疾病已成為當(dāng)代基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究的重要內(nèi)容。隨著科學(xué)研究的不停發(fā)展,基因診療和基因治療將會(huì)為人類健康帶來(lái)更大的福音,為人類根治疑難絕癥帶來(lái)但愿和曙光。下面分基因診療和基因治療兩個(gè)方面給大家介紹這一章的內(nèi)容。第一節(jié)基因診斷SectionIGeneDiagnosis{基因診療}是指運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)和辦法直接檢測(cè)基因構(gòu)造及其體現(xiàn)水平與否正常,從而對(duì)疾病作出診療的辦法。從基因水平而言,造成人類致病的因素有兩大類:①機(jī)體本身基因(即內(nèi)源基因)的變異,涉及基因構(gòu)造突變和基因體現(xiàn)異常。②病原體基因(即外源基因)的入侵。在分子生物學(xué)技術(shù)建立之前,我們無(wú)法直接鑒定基因的缺點(diǎn),只能通過(guò)缺點(diǎn)基因所造成的表型癥狀或根據(jù)缺點(diǎn)基因引發(fā)的多個(gè)生化指標(biāo)或其它輔助檢查指標(biāo)的變化對(duì)疾病作出診療。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在我們能夠采用分子生物學(xué)技術(shù)直接檢測(cè)和鑒定與否有內(nèi)源缺點(diǎn)基因或外源基因的存在,使疾病的診療在傳統(tǒng)的表型診療基礎(chǔ)上增加了基因診療的內(nèi)容,從而使許多疾病的診療更快速、更精確?;蛟\療與傳統(tǒng)診療學(xué)辦法的不同之處在于它是直接以基因作為探核對(duì)象。因而,它含有與其它診療學(xué)辦法完全不同的特點(diǎn):①針對(duì)性強(qiáng):由于基因診療是直接以基由于檢測(cè)對(duì)象,對(duì)病因診療的針對(duì)性強(qiáng)。②特異性強(qiáng):基因診療采用的分子生物學(xué)技術(shù)(核酸分子雜交、PCR等)都能精確地分析特定基因中的特定序列的構(gòu)造、或特定基因的體現(xiàn)水平,因而含有很強(qiáng)的特異性。③敏捷度高:以往的診療需要滿足一定量的樣品,對(duì)微量樣品根本無(wú)法進(jìn)行操作或不敏感,無(wú)法作出診療。而分子雜交和PCR技術(shù)都能運(yùn)用極少量的樣品獲得精確的成果,特別合用于疾病的早期診療。④合用范疇廣:基因診療即可檢測(cè)出內(nèi)源性基因與否異常,也可檢測(cè)出人體內(nèi)與否有外源性基因的存在,因此,能夠用于許多疾病的診療,在臨床上合用范疇廣。一、基因診療慣用技術(shù)辦法:基因診療慣用技術(shù)辦法涉及兩大類:一是DNA診療技術(shù);二是RNA診療技術(shù)。DNA診療技術(shù)涉及:核酸分子雜交技術(shù)、PCR技術(shù)和DNA序列測(cè)定等;RNA診療技術(shù)涉及:RNA點(diǎn)雜交、Northern分析、定量PCR、mRNA差別顯示PCR等技術(shù)。在這一節(jié)只介紹DNA診療技術(shù)中幾個(gè)慣用的辦法。1.核酸分子雜交技術(shù)核酸分子雜交技術(shù)是基因診療中的基本技術(shù)之一。它的基本原理是:?jiǎn)捂満怂幔―NA或RNA)能夠在一定條件下與互補(bǔ)的單鏈核酸(DNA或RNA)結(jié)合形成雙鏈。雜交能夠在DNA-DNA、DNA-RNA、RNA-RNA以及DNA-寡核苷酸之間進(jìn)行。因此,采用一段已知的核酸序列作為探針,能夠探測(cè)未知樣品中對(duì)應(yīng)的核酸序列與否存在,如果樣品中有同源序列存在,核酸探針就能夠與同源序列中的互補(bǔ)序列結(jié)合形成雙鏈,從而得知特定核酸的存在與否。如用一段白血病有關(guān)基因的DNA序列制備成探針(已知),去探測(cè)被檢樣品(未知),如果被檢樣品中存在與探針序列相似的DNA序列,探針就可與之結(jié)合形成雙鏈,檢測(cè)成果可作為診療白血病的重要根據(jù)之一。運(yùn)用核酸分子雜交技術(shù)能夠進(jìn)行限制性內(nèi)切酶酶譜分析、DNA限制性長(zhǎng)度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism,RLFP)分析,在雜交中運(yùn)用等位基因特異寡核苷酸探針(allelespecificoligonucleotide,ASO)還能夠分析特定基因中的突變位點(diǎn)。這里我們只介紹前兩種。(1)限制性內(nèi)切酶酶譜分析法:此辦法是運(yùn)用限制性內(nèi)切酶和特異性DNA探針來(lái)檢測(cè)與否存在基因變異。圖22-1所示為β珠蛋白的基因。當(dāng)該基因第六個(gè)密碼子發(fā)生A→T突變時(shí),所編碼的氨基酸從谷氨酸被變化為纈氨酸,因而造成鐮狀細(xì)胞貧血癥。該突變同時(shí)也造成DNA序列中的一種MstⅡ限制性酶切位點(diǎn)丟失,運(yùn)用這一特定可進(jìn)行基因診療。將正常人和帶有突變基因個(gè)體的基因組DNA分別用MstⅡ酶消化后,但凡基因組上含有MstⅡ位點(diǎn)的地方都會(huì)被切斷,酶切后得到大小不等的片段。全部這些片段可通過(guò)電泳進(jìn)行分離。在電泳過(guò)程中,各個(gè)片段可按大小分離開(kāi)來(lái)。由于我們提取的是基因組DNA,在進(jìn)行凝膠電泳時(shí),每條帶的量是極少的,電泳后的條帶是完全看不見(jiàn)的。通過(guò)核酸分子雜交能夠顯示特定DNA片段。運(yùn)用β珠蛋白基因的DNA探針可顯示出該基因的DNA片段。在圖21-1(見(jiàn)六版教材圖21-1)中所示,β珠蛋白基因有MstⅡ位點(diǎn),因此該基因的DNA序列被切斷,雜交后顯示出2個(gè)DNA片段(1.15Kb和0.2Kb)。當(dāng)突變使MstⅡ位點(diǎn)丟失后,該基因的DNA片段不能被切斷,因而在電泳及雜交后只顯示1個(gè)大的DNA片段(1.35Kb);如果是雜合子,雜交后就會(huì)顯示3個(gè)DNA片段。因此,這種辦法不僅能夠診療出是正常人還是患者,并且還能夠診療出是純合突變還是雜合突變。圖21-1鐮狀紅細(xì)胞貧血患者基因組的限制性酶切分析(2)DNA限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restrictionfragmentlengthpolymorphism,RFLP)在人類基因組中,平均約200對(duì)堿基可發(fā)生一對(duì)變異(稱為中性突變,)中性突變?cè)斐蓚€(gè)體間核苷酸序列的差別,稱為DNA多態(tài)性。突變、重排、單個(gè)核苷酸的插入或缺失可使DNA次序發(fā)生變化。其中有些可能造成限制酶切位點(diǎn)的增加、缺失或易位,致使DNA分子的限制酶切位點(diǎn)數(shù)目、位置發(fā)生變化。用限制酶切割基因組時(shí),所產(chǎn)生的限制性片段的數(shù)目和每個(gè)片段的長(zhǎng)度就不同,這就是限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性。在某一特定家族中,如果某一致病基因與某一特異的多態(tài)性片段(DNA多態(tài)性或限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性)緊密連鎖,就能夠用這一多態(tài)性片段作為一種“遺傳標(biāo)志”,來(lái)判斷家庭組員或胎兒與否為致病基因的攜帶者。用“遺傳標(biāo)志”基因作為探針,進(jìn)行雜交檢測(cè)就可判斷致病基因的存在與否。2.PCR/單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析(singlestrandconformationpolymorphism,SSCP)PCR/SSCP是一種快速檢測(cè)基因突變的辦法,其基本的原理是:?jiǎn)捂淒NA呈現(xiàn)復(fù)雜的構(gòu)象,而這種立體構(gòu)象重要是依靠單鏈內(nèi)堿基配對(duì)等分子內(nèi)互相作用維系的。相似長(zhǎng)度的單鏈DNA因堿基序列不同,甚至只是一種堿基不同,都能夠形成不同的空間構(gòu)象,在電泳時(shí)泳動(dòng)的速率不同。進(jìn)行該項(xiàng)檢測(cè),首先是運(yùn)用PCR技術(shù)看待測(cè)基因片段進(jìn)行擴(kuò)增,分別獲得正常對(duì)照DNA的PCR產(chǎn)物和待測(cè)DNA的PCR產(chǎn)物,然后將DNA變性成單鏈,采用非變性聚丙烯酰胺凝膠進(jìn)行電泳分離。單鏈DNA在非變性聚丙烯酰胺凝膠中形成不同的構(gòu)像。在電泳過(guò)程中,長(zhǎng)度相似而構(gòu)像不同的單鏈DNA分子在凝膠中的泳動(dòng)速率不同。如果待測(cè)DNA沒(méi)有發(fā)生突變,其序列與正常對(duì)照DNA一致,電泳后在凝膠中的位置就會(huì)與正常對(duì)照組DNA的每一條帶的位置完全一致。如果待測(cè)DNA中有突變,電泳后就會(huì)出現(xiàn)位置不同的條帶。借此分析與否有致病基因的存在。Leber遺傳性神經(jīng)病患者是由于線粒體DNA第11778位堿基(G→A)突變所致。用PCR辦法獲得正常和待測(cè)線粒體DNA片段后,再作SSCP分析(圖21-2見(jiàn)六版教材圖21-2),可見(jiàn)待測(cè)DNA的電泳后條帶與正常DNA對(duì)照條帶不一致,闡明該基因存在有突變。圖21-2Leber病患者PCR/SSCP分析二、基因診療的應(yīng)用現(xiàn)在基因診療已廣泛應(yīng)用于下列疾病的診療:如遺傳疾病、腫瘤、多個(gè)感染性疾病、傳染性流行病以及用于判斷個(gè)體疾病易感性、器官移植組織配型、法醫(yī)學(xué)中個(gè)體識(shí)別、親子鑒定等。由于基因診療含有其它診療學(xué)辦法所不含有的特點(diǎn),它將在遺傳病的防治、腫瘤的早期診療、暴發(fā)性感染性疾病的預(yù)測(cè)等方面將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。第二節(jié)基因治療GeneTherapy現(xiàn)在已知許多人類疾病與特定的某個(gè)基因或某些基因有關(guān),經(jīng)常涉及到人體內(nèi)基因的變異或基因體現(xiàn)的異常以及外源基因的入侵。因此,從基因水平消除病因?qū)⒊蔀閷?lái)醫(yī)學(xué)的一種重要發(fā)展方向。一、基因治療的定義基因治療在早期是指用正常的基因整合入細(xì)胞基因組,以校正和置換致病基因的一種治療辦法。隨著分子生物學(xué)辦法和技術(shù)的不停發(fā)展和完善,基因治療的內(nèi)涵已有了很大的發(fā)展。從廣義上來(lái)講,基因治療是指將某種遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到患者細(xì)胞內(nèi),使其在體內(nèi)發(fā)揮作用,以達(dá)成治療疾病目的的一種治療辦法。基因治療采用辦法基本上能夠分為下列幾個(gè):1.基因矯正(genecorrection)基因矯正是指將致病基因的異常堿基進(jìn)行糾正,而正常部分予以保存。2.基因置換(genereplacement)基因置換是用正常的基因通過(guò)體內(nèi)基因同源重組,原位替代病變細(xì)胞內(nèi)的致病基因,使細(xì)胞內(nèi)的DNA完全恢復(fù)正常狀態(tài)?;蛑脫Q是基因治療的一種最為抱負(fù)的辦法。但由于這種辦法需要采用同源重組使對(duì)應(yīng)的正?;蚨ㄎ粚?dǎo)入受體細(xì)胞的基因缺點(diǎn)部位。而定位導(dǎo)入的自然發(fā)生率約為1/100萬(wàn),因此,由于技術(shù)因素,這種治療辦法現(xiàn)在還難以實(shí)施。3.基因增補(bǔ)(geneaugmentation)基因增補(bǔ)是基因治療中較慣用的一種辦法。它是指將目的基因?qū)氩∽兗?xì)胞或其它細(xì)胞,不去除異?;颍峭ㄟ^(guò)目的基因的定點(diǎn)或非定點(diǎn)整合,使其體現(xiàn)產(chǎn)物賠償缺點(diǎn)基因的功效或使原有的功效得以加強(qiáng)。基因增補(bǔ)實(shí)際是在原有細(xì)胞中又增加了一種基因的拷貝,即使異?;蜻€存在于細(xì)胞內(nèi),但該基因編碼的產(chǎn)物是無(wú)毒性作用的,只是編碼產(chǎn)物的量局限性、或失去功效而造成疾病。因此,導(dǎo)入一種正常的基因使其體現(xiàn)產(chǎn)物賠償缺點(diǎn)基因的功效或使原有的功效得以加強(qiáng),達(dá)成治療疾病的目的。4.基因失活(geneinactivation)基因失活是采用特定的方式克制某個(gè)基因的體現(xiàn),或者通過(guò)破壞某個(gè)基因而使之不能體現(xiàn),以達(dá)成治療疾病的目的。與基因增補(bǔ)不同,基因失活是由于基因編碼的產(chǎn)物是有毒的,即使體現(xiàn)得量極少也會(huì)致病,如癌基因、病毒癌基因等,這些基因編碼的產(chǎn)物都是有致病作用的。因此必須采用特定的方式克制或破壞這些基因的體現(xiàn),使基因失活,以達(dá)成治療多個(gè)癌癥和病毒性感染性疾病的目的。①反義RNA技術(shù):是指與mRNA互補(bǔ),且能克制與疾病發(fā)生直接有關(guān)的基因體現(xiàn)的RNA。②核酶技術(shù)(ribozyme):通過(guò)核酶分子結(jié)合到靶RNA分子中適宜的部位,形成錘頭構(gòu)造,催化RNA分子的剪切,從而破壞靶RNA分子達(dá)成治療疾病的目的。③三鏈技術(shù)(triplexapproach):脫氧寡核苷酸能與雙鏈DNA專一性序列結(jié)合,形成三鏈DNA,從而在轉(zhuǎn)錄水平或復(fù)制水平制止基因轉(zhuǎn)錄或復(fù)制。④干擾RNA技術(shù)(interenceRNA,RNAi):指在特定因子的作用下,由導(dǎo)入胞內(nèi)的雙鏈RNA降解成的約22nt左右的SiRNAs。后肢運(yùn)用堿基互補(bǔ)配對(duì)原則核靶DNA結(jié)合,同時(shí)誘導(dǎo)激活體內(nèi)的基因沉默因子,從而使靶DNA降解。同時(shí)還可運(yùn)用體內(nèi)轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄生成第二代SiRNAs,從而長(zhǎng)久發(fā)揮效應(yīng)。二、基因治療的基本程序基因治療的基本程序涉及有下列幾個(gè)方面:(一)治療性基因的選擇基因治療中,必須針對(duì)某一具體的疾病,來(lái)選擇目的基因。如單基因缺點(diǎn)的遺傳病可選用對(duì)應(yīng)的野生型基因作為目的基因。血管栓塞性疾病可選用血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)基因作為目的基因。在多個(gè)癌癥和病毒感染性疾病治療中,可針對(duì)特定的靶基因選用特異的反義RNA、核酶等的編碼DNA作為治療基因。選擇特定的目的基因作為治療基因是基因治療中一種重要的問(wèn)題。(二)基因載體的選擇選擇好目的基因后,還必須選擇適宜的載體。目的基因只有重組到適宜的載體、形成重組DNA分子,才干導(dǎo)入到受體細(xì)胞中。用于基因治療的載體有兩大類:一是病毒載體,二是非病毒載體。非病毒載體轉(zhuǎn)染效率很低,而病毒含有繁殖快,感染力強(qiáng)的生物學(xué)特點(diǎn),因而用于基因治療的載體普通多選用經(jīng)改造后的病毒載體。慣用的病毒載體有3種:逆轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus,RV)載體、腺病毒(adenovirus,AV)載體、腺有關(guān)病毒(adenoassociatedvirus,AAV)載體。3種病毒載體各有優(yōu)缺點(diǎn)。表22-1(見(jiàn)五版教材表22-1)列出了它們各自的特點(diǎn)。3種病毒載體中使用較多的是逆轉(zhuǎn)錄病毒載體。該載體用于基因治療含有轉(zhuǎn)移基因效率高和穩(wěn)定體現(xiàn)的特點(diǎn)。但是,它只能感染處在增殖狀態(tài)的細(xì)胞,使用范疇較局限。另外,逆轉(zhuǎn)錄病毒載體在靶細(xì)胞基因組的整合是隨機(jī)的,有可能會(huì)激活原癌基因,其安全性仍然是一種值得擔(dān)憂的問(wèn)題。但由于病毒載體介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移的效率較高,且迄今為止尚未出現(xiàn)明顯的問(wèn)題,現(xiàn)階段用于基因治療的載體仍多采用病毒載體,隨著科學(xué)研究的不停進(jìn)一步,相信會(huì)有更抱負(fù)的載體來(lái)替代病毒載體用于基因治療。表22-1幾個(gè)慣用病毒載體的特點(diǎn)比較(三)靶細(xì)胞的選擇目的基因與載體構(gòu)建成重組的DNA分子后,需要導(dǎo)入適宜的靶細(xì)胞才干發(fā)揮治療作用。對(duì)不同的疾病,需要選擇不同的靶細(xì)胞。普通而言,可供選擇的靶細(xì)胞有兩大類:一類是生殖細(xì)胞,一類是體細(xì)胞。對(duì)人類基因治療研究而言,為了避免給人類造成可能的傷害,國(guó)際上嚴(yán)禁進(jìn)行生殖細(xì)胞的基因治療操作。在現(xiàn)在條件下,基因治療僅限于體細(xì)胞。由于即使發(fā)生基因型的變化也只限于某一類體細(xì)胞,其影響也只限于某個(gè)體的當(dāng)代。已被用于基因治療的靶細(xì)胞有淋巴細(xì)胞、造血細(xì)胞、上皮細(xì)胞、角質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、肝細(xì)胞、肌細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞等。(四)基因轉(zhuǎn)移通過(guò)上述環(huán)節(jié),構(gòu)建好了重組DNA分子,也選擇好了靶細(xì)胞。下一種核心環(huán)節(jié)將治療性基因?qū)氚屑?xì)胞。現(xiàn)在慣用的基因載體有兩大類,因而基因轉(zhuǎn)移辦法亦對(duì)應(yīng)有兩大類。非病毒載體重要通過(guò)非生物學(xué)辦法導(dǎo)入靶細(xì)胞,這類基因轉(zhuǎn)移辦法涉及物理、化學(xué)、以及受體介導(dǎo)的辦法;但這些辦法轉(zhuǎn)移基因的效率較低。病毒載體重要通過(guò)生物學(xué)辦法導(dǎo)入靶細(xì)胞,即運(yùn)用病毒蛋白將載體包裝成假病毒顆粒,通過(guò)病毒感染機(jī)制將基因載體導(dǎo)入靶細(xì)胞。病毒載體的轉(zhuǎn)染效率相對(duì)較高,因而在基因治療的臨床實(shí)施中多采用病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)將外源基因?qū)氚屑?xì)胞中。然而在實(shí)際應(yīng)用中,即使是采用病毒載體也不能有效地進(jìn)行體內(nèi)基因轉(zhuǎn)移。由于眾多因素的影響,現(xiàn)在在體內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)靶向、高效地轉(zhuǎn)移治療性基因體現(xiàn)載體。這個(gè)問(wèn)題是制約基因治療技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。(五)外源基因體現(xiàn)的篩檢由于體內(nèi)轉(zhuǎn)染困難,在基因治療研究中,大多數(shù)狀況下是將基因?qū)塍w外培養(yǎng)的細(xì)胞。無(wú)論采用上述哪種辦法將外源基因轉(zhuǎn)移到體外培養(yǎng)的靶細(xì)胞中,轉(zhuǎn)移后的產(chǎn)物實(shí)際是混合物。在混合物中有的細(xì)胞含有特異的外源基因,這類細(xì)胞稱為轉(zhuǎn)化細(xì)胞。有的細(xì)胞不含外源基因,這類細(xì)胞稱為非轉(zhuǎn)化細(xì)胞?;蛑委熤行枰氖呛刑禺愅庠椿虻霓D(zhuǎn)化細(xì)胞。因此,必須篩選出轉(zhuǎn)化細(xì)胞。篩選是運(yùn)用載體分子上攜帶特定抗性基因進(jìn)行的。在大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞體現(xiàn)載體上都帶有新霉素抗性基因(neor),該基因編碼的產(chǎn)物是一

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