陽離子 PEI聯(lián)合電穿孔轉(zhuǎn)染小鼠精子研究

摘要：本研究旨在聯(lián)合運(yùn)用陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機(jī)制的轉(zhuǎn)染手段，以期克服精子難轉(zhuǎn)染的問題。通過形成穩(wěn)定復(fù)合物、吸附細(xì)胞表面、胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞、內(nèi)涵體逃逸與DNA釋放等步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染，為精子載體法在大動(dòng)物中的應(yīng)用提供了成功的模式。

引言

精子載體法是一種以精子為載體，利用精子與卵子結(jié)合的過程將外源基因帶入受精卵中形成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的方法。該法無需專門的大型設(shè)備和技術(shù)，簡(jiǎn)單便捷，應(yīng)用廣泛，尤其對(duì)于豬、牛、羊等大動(dòng)物更有方法學(xué)上的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)界一直寄厚望于能夠替代顯微原核注射法。然而，自1989年Lavirano用該法建立轉(zhuǎn)基因小鼠以來，雖在各種物種中均有成功報(bào)道，但仍存在穩(wěn)定性和可重復(fù)性在各實(shí)驗(yàn)室差別較大的問題。其中，核內(nèi)轉(zhuǎn)染效率不高是制約精子載體法成功率的主要因素之一。

為了克服精子難轉(zhuǎn)染的問題，本研究聯(lián)合運(yùn)用陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機(jī)制的轉(zhuǎn)染手段。聚乙烯亞胺（PEI）是一種高效的轉(zhuǎn)染試劑，其帶正電的特性使其能夠與帶負(fù)電的質(zhì)?；虿《鞠嗷プ饔?，并通過一系列的過程將外源遺傳物質(zhì)成功導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。電穿孔法則是通過高壓電場(chǎng)使細(xì)胞膜通透性發(fā)生暫時(shí)性的可逆變化，能夠促進(jìn)細(xì)胞攝取各種分子包括生物大分子，而且有一部分分子能夠進(jìn)入核內(nèi)。將這兩種方法結(jié)合起來，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。

材料與方法

1. 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)選用成年昆明小鼠雄鼠，SPF級(jí)，年齡3-4個(gè)月，體重30克以上。

2. 主要試劑

• 某試劑JetPEI-FluoF（購(gòu)自某生物工程有限公司）

• 質(zhì)粒pCX-EGFP（由日本某大學(xué)教授贈(zèng)送）

• 精子洗液D-PBS+AA（自配）

• 精子電轉(zhuǎn)緩沖液SEM（自配）

• 非必需氨基酸（購(gòu)自某公司）

• 配制細(xì)胞用液的化學(xué)試劑均購(gòu)自某公司

• 純水采用某品牌MILLI-Q BIOCEL純水儀制備。

3. 主要儀器

• 某品牌激光共聚焦顯微鏡

• 威尼德電穿孔儀

• 其他常規(guī)實(shí)驗(yàn)室儀器

4. 方法

采用FITC標(biāo)記的線性陽離子多聚物JetPEI-FluoF與適量的質(zhì)粒pCX-EGFP形成復(fù)合物作為轉(zhuǎn)染示蹤物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)染。將小鼠精子與上述復(fù)合物混合后，通過電穿孔儀進(jìn)行方波電穿孔處理。處理后的精子通過激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)復(fù)合物在細(xì)胞的分布情況。同時(shí)設(shè)置對(duì)照組，單純使用PEI轉(zhuǎn)染，以比較兩種方法的轉(zhuǎn)染效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與對(duì)照組單純使用PEI轉(zhuǎn)染相比較，聯(lián)合使用組雖然精子活力和活率有一定程度的下降，但是無論胞質(zhì)還是胞核熒光物質(zhì)的攜帶量都有很大程度的提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)精子的核內(nèi)轉(zhuǎn)染。具體結(jié)果如下：

• 精子活力與活率：聯(lián)合使用組的精子活力和活率分別下降了約15%和10%，但仍保持在可接受的范圍內(nèi)。

• 熒光物質(zhì)攜帶量：聯(lián)合使用組的胞質(zhì)和胞核熒光物質(zhì)攜帶量分別提高了約3倍和4倍，表明外源DNA成功進(jìn)入了精子細(xì)胞核內(nèi)。

討論

1. PEI與電穿孔的結(jié)合策略

PEI轉(zhuǎn)染試劑通過改變細(xì)胞膜的物理化學(xué)性質(zhì)，使其變得通透并能夠吸附DNA，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)染作用。而電穿孔法則通過高壓電場(chǎng)使細(xì)胞膜通透性發(fā)生暫時(shí)性的可逆變化，進(jìn)一步促進(jìn)了外源DNA的進(jìn)入。本研究將這兩種方法結(jié)合起來，利用了它們各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，聯(lián)合使用組雖然精子活力和活率有一定程度的下降，但熒光物質(zhì)攜帶量的顯著提高表明外源DNA成功進(jìn)入了精子細(xì)胞核內(nèi)。這證明了聯(lián)合運(yùn)用PEI和電穿孔是一種有效的精子轉(zhuǎn)染方法。同時(shí)，精子活力和活率的下降也在可接受范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)后續(xù)的受精和胚胎發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3. 研究的創(chuàng)新與應(yīng)用前景

本研究的創(chuàng)新之處在于聯(lián)合運(yùn)用了陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機(jī)制的轉(zhuǎn)染手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。這一方法不僅克服了精子難轉(zhuǎn)染的問題，還為精子載體法在大動(dòng)物中的應(yīng)用提供了成功的模式。未來，該方法可以進(jìn)一步應(yīng)用于豬、牛、羊等大動(dòng)物的精子轉(zhuǎn)染，為轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的制備提供新的途徑。

此外，該方法還具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有望成為一種廣泛應(yīng)用的精子轉(zhuǎn)染技術(shù)。在生物醫(yī)學(xué)研究、農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域，該方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

4. 研究的局限性與未來方向

盡管本研究取得了顯著的成果，但仍存在一些局限性。例如，精子活力和活率的下降可能會(huì)對(duì)后續(xù)的受精和胚胎發(fā)育產(chǎn)生一定影響，需要進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件以減少這種影響。此外，該方法在大動(dòng)物中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，提高精子活力和活率，同時(shí)開展大動(dòng)物精子轉(zhuǎn)染的實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證該方法的可行性和應(yīng)用效果。此外，我們還將探索其他轉(zhuǎn)染方法和技術(shù)，以期進(jìn)一步提高精子轉(zhuǎn)染效率和穩(wěn)定性。

結(jié)論

本研究聯(lián)合運(yùn)用了陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機(jī)制的轉(zhuǎn)染手段，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聯(lián)合使用組雖然精子活力和活率有一定程度的下降，但熒光物質(zhì)攜帶量的顯著提高表明外源DNA成功進(jìn)入了精子細(xì)胞核內(nèi)。這一方法不僅克服了精子難轉(zhuǎn)染的問題，還為精子載體法在大動(dòng)物中的應(yīng)用提供了成功的模式。未來，該方法在生物醫(yī)學(xué)研究、農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本研究不僅為精子轉(zhuǎn)染提供了新的思路和方法，還為轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的制備提供了新的途徑。我們相信，在不久的將來，該方法將在生物醫(yī)學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，我們也期待更多的研究者加入到這一領(lǐng)域的研究中來，共同推動(dòng)精子轉(zhuǎn)染技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。