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)合運用陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機制的轉(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、吸附細胞表面、胞吞作用進入細胞、內(nèi)涵體逃逸與DNA釋放等步驟，實現(xiàn)了對小鼠精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染，為精子載體法在大動物中的應(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)基因動物的方法。該法無需專門的大型設(shè)備和技術(shù)，簡單便捷，應(yīng)用廣泛，尤其對于豬、牛、羊等大動物更有方法學(xué)上的優(yōu)勢，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道，但仍存在穩(wěn)定性和可重復(fù)性在各實驗室差別較大的問題。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)合運用陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機制的轉(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電的質(zhì)粒或病毒相互作用，并通過一系列的過程將外源遺傳物質(zhì)成功導(dǎo)入細胞內(nèi)。電穿孔法則是通過高壓電場使細胞膜通透性發(fā)生暫時性的可逆變化，能夠促進細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入核內(nèi)。將這兩種方法結(jié)合起來，理論上可以實現(xiàn)對精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。

材料與方法

1. 實驗動物

       實驗選用成年昆明小鼠雄鼠，SPF級，年齡3-4個月，體重30克以上。

2. 主要試劑

• 試劑JetPEI-FluoF
• 質(zhì)粒pCX-EGFP（日本）
• 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
• 配制細胞用液的化學(xué)試劑均購自某公司
• 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)實驗室儀器

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復(fù)合物在細胞的分布情況。同時設(shè)置對照組，單純使用PEI轉(zhuǎn)染，以比較兩種方法的轉(zhuǎn)染效率。

實驗結(jié)果

       與對照組單純使用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，實現(xiàn)了對精子的核內(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成功進入了精子細胞核內(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，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)染作用。而電穿孔法則通過高壓電場使細胞膜通透性發(fā)生暫時性的可逆變化，進一步促進了外源DNA的進入。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，實現(xiàn)了對精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。

2. 實驗結(jié)果分析

       實驗結(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成功進入了精子細胞核內(nèi)。這證明了聯(lián)合運用PEI和電穿孔是一種有效的精子轉(zhuǎn)染方法。同時，精子活力和活率的下降也在可接受范圍內(nèi)，不會對后續(xù)的受精和胚胎發(fā)育產(chǎn)生嚴重影響。

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)合運用了陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機制的轉(zhuǎn)染手段，實現(xiàn)了對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物中的應(yīng)用提供了成功的模式。未來，該方法可以進一步應(yīng)用于豬、牛、羊等大動物的精子轉(zhuǎn)染，為轉(zhuǎn)基因動物的制備提供新的途徑。

       此外，該方法還具有操作簡便、成本低廉等優(yōu)點，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對后續(xù)的受精和胚胎發(fā)育產(chǎn)生一定影響，需要進一步優(yōu)化實驗條件以減少這種影響。此外，該方法在大動物中的應(yīng)用還需要進一步驗證和完善。

       未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化實驗條件，提高精子活力和活率，同時開展大動物精子轉(zhuǎn)染的實驗研究，以驗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)合運用了陽離子多聚物PEI和方波電穿孔兩種不同機制的轉(zhuǎn)染手段，成功實現(xiàn)了對小鼠精子的高效核內(nèi)轉(zhuǎn)染。實驗結(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成功進入了精子細胞核內(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，我們也期待更多的研究者加入到這一領(lǐng)域的研究中來，共同推動精子轉(zhuǎn)染技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。