배아줄기세포를 이용한 형질전환동물의 제조는 유전자의 기능 연구에 필수적이다. 특히 유전자 파괴 생쥐는 유전자의 기능 연구뿐만 아니라 사람 질병 연구에 중요한 모델이 되어 왔다. 유전자 적중법(gene targeting)과 유전자 함정법(gene trapping)은 ES 세포에서 녹아웃(knockout) 생쥐를 제조하는 대표적인 방법이다. 20여 년 전 유전자 적중법과 함정법이 최초로 개발된 이후에 이 기술은 많은 변화를 거쳤다. 특히 상동재조합에 기초한 전통적 유전자 적중법은 대량 제조기반의 조건부 유전자 적중법의 개발로 이어졌고, 유전자 적중법 및 유전자 함정법의 장점 요소의 조합은 유전자를 파괴하는 범위를 넓혔고, 유전자 적중을 더욱 효율적으로 만들었다. 이런 기술은 특정 유전자를 표적으로 하는 다양한 종류의 돌연변이 형질전환동물을 제조할 수 있게 하여 포스트게놈 시대에 요구되는 전체 유전체의 기능 연구를 더욱 효과적으로 진행시켜 줄 것이다.
Gene targeting is an in situ manipulation of endogenous gene with precise manner by the introduction of exogenous DNA. The process of gene targeting involves a homologous recombination reaction between the targeted genomic sequence and an exogenous targeting vector. In elucidating the function of many genes, gene targeting has become the most important method of choice. (omitted)
Monogenic disease의 치료를 위한 하나의 전략으로 viral vector를 이용한 gene therapy에 비해 독성이 적은 gene targeting 기술을 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구의 주된 관점은 자연적인 HR의 낮은 효율을 개선하기 위한 DSB 유도 방법으로, 선택성을 높일 수 있는 긴 염기서열의 인식이 가능한 artificial endonuclease의 개발이다. 본 글에서는 이러한 artificial endonuclease 중, 가장 많이 연구 되고 있는 homing endonuclease와 zinc finger nuclease를 간략히 소개하였다. 전자와 후자 모두, 인식 서열에 대한 일정 수준의 tolerance (인식 서열 일부가 특이적이지 않아 다른 염기로 구성된 경우)가 존재하여, 일정한 비율로 다른 target을 절단할 수 있는 가능성이 존재한다. 이러한 점은, meganucleases를 치료 목적으로 이용할 때 세포 독성을 나타내는 근본원인 중 하나이다. 두 종 모두 이러한 특성을 가짐에도 불구하고, 완전한 비자연적인 후자보다는 전자의 경우가 보다 효과적이며 낮은 세포독성을 보이는 것으로 보고되고 있다. 물론 실험 조건이나 적용되는 세포 종류, 인위적인 단백질의 발현 정도에 따라 세포 독성유무 또는 정도에 차이가 나타남이 확인되고 있다. 이러한 사실들에 근거할 때, gene targeting을 유도하기 위한 artificial endonuclease의 서열 특이성을 증대시키는 것이 가장 중요하나, 그 외 여러 인자들에 대한 복합적인 연구 역시 필요함을 보여준다. 현재까지 실제 치료제로 쓰인 예는 없지만, 시험관내에서 보이는 결과와 모델 개체에서 이루어진 표적화정도, 관련된 단백질 치료제들이 지닌 잠재성을 비교할 때 매우 큰 가능성을 지니고 있음은 충분히 확인할 수 있다.
Kim, Hye Min;Lee, Sang Mi;Park, Hyo Young;Kang, Man-Jong
Reproductive and Developmental Biology
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제38권2호
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pp.71-77
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2014
The specific genetic modification in porcine somatic cells by gene targeting has been very difficult because of low efficiency of homologous recombination. To improve gene targeting, we designed three kinds of knock-out vectors with ${\alpha}1,3$-galactosyltransferase gene (${\alpha}1,3$-GT gene), DT-A/pGT5'/neo/pGT3', DT-A/NLS/pGT5'/neo/pGT3' and pGT5'/neo/ pGT3'/NLS. The knock-out vectors consisted of a 4.8-kb fragment as the 5' recombination arm (pGT5') and a 1.9-kb fragment as the 3' recombination arm (pGT3'). We used the neomycin resistance gene (neo) as a positive selectable marker and the diphtheria toxin A (DT-A) gene as a negative selectable marker. These vectors have a neo gene insertion in exon 9 for inactivation of ${\alpha}1,3$-GT locus. DT-A/pGT5'/neo/pGT3' vector contain only positive-negative selection marker with conventional targeting vector. DT-A/NLS/pGT5'/neo/pGT3' vector contain positive-negative selection marker and NLS sequences in upstream of 5' recombination arm which enhances nuclear transport of foreign DNA into bovine somatic cells. pGT5'/neo/pGT3'/NLS vector contain only positive selection marker and NLS sequence in downstream of 3' recombination arm, not contain negative selectable marker. For transfection, linearzed vectors were introduced into porcine ear fibroblasts by electroporation. After 48 hours, the transfected cells were selected with $300{\mu}g/ml$ G418 during 12 day. The G418-resistant colonies were picked, of which 5 colonies were positive for ${\alpha}1,3$-GT gene disruption in 3' PCR and southern blot screening. Three knock-out somatic cells were obtained from DT-A/NLS/ pGT5'/neo/pGT3' knock-out vector. Thus, these data indicate that gene targeting vector using nuclear localization signal and negative selection marker improve targeting efficiency in porcine somatic cells.
The rapid development and characterization of the mouse genome sequence, coupled with comparative sequence analysis of human, has been paralleled by a reinforced enthusiasm for mouse functional genomics. The way to uncover the in vivo function of genes is to analyze the phenotypes of the mutant animals. From this standpoint, the mouse is a suitable and valuable model organism in the studies of functional genomics. Therefore, there have been enormous efforts to enrich the list of the mutant mice. Such a trend emphasizes the random mutagenesis, including ENU mutagenesis and gene-trap mutagenesis, to obtain a large stock of mutant mice. However, since various mutant alleles are needed to precisely characterize the role of a gene in vivo, mutations should be designed. The simplicity and utility of transgenic technology can satisfy this demand. The combination of RNA interference with transgenic technology will provide more opportunities for researchers. Nevertheless, gene targeting can solely define the in vivo function of a gene without a doubt. Thus, transgenesis and gene targeting will be the major strategies in the field of functional genomics.
The plant breeding technology was developed with genetic engineering. Many researchers and breeders have turned from traditional breeding to molecular breeding. Genetically modified organisms (GMO) were developed via molecular breeding technology. Currently, molecular breeding technologies facilitate efficient plant breeding without introducing foreign genes, in virtue by of gene editing technology. Gene targeting (GT) via homologous recombination (HR) is one of the best gene editing methods available to modify specific DNA sequences in genomes. GT utilizes DNA repair pathways. Thus, DNA repair systems are controlled to enhance HR processing. Engineered sequence specific endonucleases were applied to improve GT efficiency. Engineered sequence specific endonucleases like the zinc finger nuclease (ZFN), TAL effector nuclease (TALEN), and CRISPR-Cas9 create DNA double-strand breaks (DSB) that can stimulate HR at a target site. RecQl4, Exo1 and Rad51 are effectors that enhance DSB repair via the HR pathway. This review focuses on recent developments in engineered sequence specific endonucleases and ways to improve the efficiency of GT via HR effectors in plants.
Sung, Young Hoon;Baek, In-Jeoung;Seong, Je Kyung;Kim, Jin-Soo;Lee, Han-Woong
BMB Reports
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제45권12호
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pp.686-692
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2012
Phenotypic analysis of gene-specific knockout (KO) mice has revolutionized our understanding of in vivo gene functions. As the use of mouse embryonic stem (ES) cells is inevitable for conventional gene targeting, the generation of knockout mice remains a very time-consuming and expensive process. To accelerate the large-scale production and phenotype analyses of KO mice, international efforts have organized global consortia such as the International Knockout Mouse Consortium (IKMC) and International Mouse Phenotype Consortium (IMPC), and they are persistently expanding the KO mouse catalogue that is publicly available for the researches studying specific genes of interests in vivo. However, new technologies, adopting zinc-finger nucleases (ZFNs) or Transcription Activator-Like Effector (TALE) Nucleases (TALENs) to edit the mouse genome, are now emerging as valuable and effective shortcuts alternative for the conventional gene targeting using ES cells. Here, we introduce the recent achievement of IKMC, and evaluate the significance of ZFN/TALEN technology in mouse genetics.
Cleft lip and/or palate are common birth defects in humans and the causes including multiple genetic and environmental factors are complex. Combinations of genetic, biochemical, and embryological approaches in the laboratory mice are used to investigate the molecular mechanisms underlying normal craniofacial development and the congenital craniofacial malformations including cleft lip and/or palate. Both forward and reverse genetic approaches are used. The forward genetic approach involves identification of causative genes and molecular pathways disrupted by uncharacterized mutations that cause craniofacial malformations including cleft lip and/or cleft palate. The reverse genetic approach involves generation and analyses of mice carrying null or conditional mutations using the Cre-loxP mediated gene targeting techniques.
Mira Chang;Oh, Keon-Bong;Lee, Kyung-Kwang;Han, Yong-Mahn
한국발생생물학회:학술대회논문집
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한국발생생물학회 2003년도 제3회 국제심포지움 및 학술대회
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pp.86-86
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2003
Research has been in progress for more than a decade to production of useful proteins by genetic modification in cattle. However, the levels of protein production in transgenic cattle have been reported very low. To enhance protein production in transgenic animal, we tried homologous recombination to donor cells for production of transgenic clone cattle through nuclear transfer procedure. Thus, we constructed the two targeting vectors of human thrombopoietin (TPO) at bovine $\beta$-casein locus using homologous recombination with 13.6 kb and 9.6 kb homology. In two targeting vectors, positive selection was through the neomycin resistance gene and negative selection was by the diphtheria toxin (DT). Gene targeting was attempted in bovine embryonic fibroblasts (bEF) and bovine ear skin fibroblasts (bESF). To determine the most appropriate concentration of neomycin for bEF and bESF, G4l8 resistance was confirmed by culturing the cells in various concentrations of the drug and both of the cells were optimally selected at $900 \mu g/ml$ of neomycin. The transfected bEF and bESF by the targeting vectors were colonized efficiently at the ratio of DNA to transfection reagent such as $4 \mu g$:2 ${mu}ell$ and $1 \mu g$:$2 \mu l$. Comparing number of healthy clones from passage 4 to passage 8, bESF (17%) persist in culture for much longer than bEF (6%). The two gene-targeted bESF clones of 30 random-integrated clones with 9.6 kb homology length were confirmed, however, nothing was out of 72 random integration clones with 13.6 kb homology length, The DT also worked more efficiently in clones transfected with the vector of 9.6 kb homology length. Our data suggests that the choice of donor cell for long culture period should be considered to obtain targeted cell clone, and the gene-targeting frequency and the DT working efficiency are dependent on the length of target homology.
Gene targeting allows precise, predetermined changes to be made in a chosen gene in the mouse genome. To date, targeting has been used most often for generation of animals completely lacking the product of a gene of interest. Models of essential hypertension have been produced by mutated genes relating renin angiotensin system. The most significant contribution to understanding the genetic etiology of essential hypertension is probably the demonstration that discrete alterations in the expression of a variety of different genes can individually cause changes in the blood pressures of mice, even when the mice have all their compensatory mechanisms intact. These effects are readily detected in animals having moderate decreases in gene function due to heterozygosity for gene disruptions or modest increases due to gene duplication. As a species the mouse is highly resistant to atherosclerosis. However. through induced mutations it has been possible to develop lines oj mice that are deficient in apolipoprotein E, a ligand important in lipoprotein clearance, develop atherosclerotic lesions resembling those observed in humans. The atherosclerotic lesions in apoE-deficient mice have been well characterized, and they resemble human lesions in their sites of predilection and progression to the fibroproliferative stage. Other promising models are mice that are deficient in the low-density lipoprotein receptor. Considerable work still remains to be done in dissecting out in a rigorous manner the effects of alterations in single genes on the induction or progression of atherosclerosis and on the control of blood pressures. Perhaps even more exciting is the opportunity now becoming available to breed animals in which the effects oj precise differences in more than one gene can be studied in combination.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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