細胞轉(zhuǎn)染技術(shù)原理及應用

摘要： 講述細胞轉(zhuǎn)染技術(shù)分類,并分別介紹各種轉(zhuǎn)染方法的原理、應用、特點,及各種轉(zhuǎn)染方法的比較.       常規(guī) 轉(zhuǎn)染 技術(shù)可分為兩大類,一類是瞬時轉(zhuǎn)染,一類是穩(wěn)定轉(zhuǎn)染.前者外源 DNA /RNA不整合到宿主染色體中,因此一個宿主細胞中可存在多個拷貝數(shù),產(chǎn)生高水平的表達,但通常只持續(xù)幾天,多用于 啟動子 和其它調(diào)控元件的分析.一般來說,超螺旋質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染效率較高,在轉(zhuǎn)染后24-72小時內(nèi)（依賴于各種不同的構(gòu)建）分析結(jié)果,常常用到一些報告系統(tǒng)如 熒光蛋白 ,β半乳糖苷酶等來幫助檢測.后者也稱穩(wěn)定轉(zhuǎn)染,外源DNA既可以整合到宿主染色體中,也可能作為一種游離體（episome）存在.盡管線性DNA比超螺旋DNA轉(zhuǎn)入量低但整合率高.外源DNA整合到染色體中概率很小,大約1/104轉(zhuǎn)染細胞能整合,通常需要通過一些選擇性標記,如來氨丙基轉(zhuǎn)移酶（APH；新霉素抗性基因）,潮霉素B磷酸轉(zhuǎn)移酶（HPH）,胸苷激酶（TK）等反復篩選,得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)染的同源細胞系.

轉(zhuǎn)染技術(shù)的選擇對轉(zhuǎn)染結(jié)果影響也很大,許多轉(zhuǎn)染方法需要優(yōu)化DNA與轉(zhuǎn)染試劑比例,細胞數(shù)量,培養(yǎng)及檢測時間等.一些傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)染技術(shù),如DEAE右旋糖苷法,磷酸鈣法,電穿孔法, 脂質(zhì) 體法各有利弊,其主要原理及應用特點如下：

轉(zhuǎn)染方法    原理   應用   特點

磷酸鈣法

磷酸鈣DNA復合物吸附 細胞膜 被細胞內(nèi)吞 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染

瞬時性轉(zhuǎn)染 不適用于原代細胞

操作簡便但重復性差

有些細胞不適用

DEAE-右旋糖苷法

帶正電的DEAE-右旋糖苷與核酸帶負電的磷酸骨架相互作用形成的復合物被細胞內(nèi)吞 瞬時性轉(zhuǎn)染 相對簡便、結(jié)果可重復  但對細胞有一定的毒副作用   轉(zhuǎn)染時需除血清

電穿孔法

高脈沖電壓破壞細胞膜電位,DNA通過膜上形成的小孔導入 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染  瞬時性轉(zhuǎn)染

所有細胞 適用性廣但細胞致死率高,DNA和細胞用量大, 需根據(jù)不同細胞類型優(yōu)化電穿孔實驗條件

病毒 介導法

通過侵染宿主細胞將外源基因整合到染色體中 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染 可用于難轉(zhuǎn)染的細胞、原代細胞,體內(nèi)細胞等

逆轉(zhuǎn)錄病毒

特定宿主細胞 但攜帶基因不能太大細胞需處分裂期   需考慮安全因素

腺病毒 通過侵染宿主細胞將外源基因整合到染色體中 瞬時轉(zhuǎn)染  特定宿主細胞 可用于難轉(zhuǎn)染的細胞

需考慮安全因素

陽離子 脂質(zhì)體 法 帶正電的脂質(zhì)體與核酸帶負電的磷酸基團形成復合物被細胞內(nèi)吞 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染 瞬時性轉(zhuǎn)染

所有細胞 適用性廣,轉(zhuǎn)染效率高,重復性好,但轉(zhuǎn)染時需除血清.轉(zhuǎn)染效果隨細胞類型變化大

Biolistic顆粒傳遞法

將DNA用顯微重金屬顆粒沉淀,再將包被好的顆粒用彈道裝置投射入細胞,DNA在胞內(nèi)逐步釋放,表達 瞬時性轉(zhuǎn)染 可用于：人的表皮細胞,纖維原細胞, 淋巴細胞 系以及原代細胞

顯微注射法

用顯微操作將DNA直接注入靶細胞核 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染  瞬時性轉(zhuǎn)染 轉(zhuǎn)染細胞數(shù)有限

多用于工程改造或 轉(zhuǎn)基因 動物的胚胎細胞

各種轉(zhuǎn)染方法的比較：

除上述傳統(tǒng)方法外,近年來上推出了一些陽離子聚合物基因轉(zhuǎn)染技術(shù),以其適用宿主范圍廣,操作簡便,對 細胞毒性 小,轉(zhuǎn)染效率高受到研究者們的青睞.其中樹枝狀聚合物（Dendrimers）和聚乙烯亞胺（Polyethylenimine,PEI）的轉(zhuǎn)染性能Z佳,但樹枝狀聚合物的結(jié)構(gòu)不易于進一步改性,且其合成工藝復雜.聚乙烯亞胺是一種具有較高的陽離子電荷密度的有機大分子,每相隔二個碳個原子,即每“第三個原子都是質(zhì)子化的氨基氮原子,使得聚合物網(wǎng)絡在任何pH下都能充當有效的“質(zhì)子海綿”(proton sponge)體.這種聚陽離子能將各種報告基因轉(zhuǎn)入各種種屬細胞,其效果好于脂質(zhì)聚酰胺,經(jīng)進一步的改性后,其轉(zhuǎn)染性能好于樹枝狀聚合物,而且它的細胞毒性低.大量實驗證明,PEI是非常有希望的基因治療載體.目前在設計更復雜的基因載體時,PEI經(jīng)常做為核心組成成分.

線型PEI（Line PEI,LPEI）與其衍生物用作基因轉(zhuǎn)染載體的研究比分枝狀PEI（Branched PEI,BPEI）要早一些,過去的研究認為在不考慮具體條件,LPEI/DNA轉(zhuǎn)染復合物的細胞毒性較低,有利于細胞定位,因此與BPEI相比應該轉(zhuǎn)染效率高一些.但近研究表明BPEI的分枝度高有利于形成小的轉(zhuǎn)染復合物,從而提高轉(zhuǎn)染效率,但同時細胞毒性也增大.超高分枝的、較柔性的PEI衍生物含有額外的仲胺基和叔胺基,在染實驗中發(fā)現(xiàn)這種PEI的毒性低,但轉(zhuǎn)染效率卻較高.

GenEscort是采用各種分枝狀和超高分枝狀的小分子PEI與各種含有生理條件下可降解鍵的交聯(lián)劑交聯(lián),合成出的一系列高分枝的可降解的PEI衍生物.聚合物的分枝結(jié)構(gòu)使得其具有較高的正電性,因此易于高效地包裹各種DNA、RNA分子及質(zhì)粒形成小的 納米顆粒 ,從而提高轉(zhuǎn)染效率,當所形成復合物進入細胞以后,其中所含的生理條件下可降解的化學鍵在細胞內(nèi)水解,使交聯(lián)聚合物分解為無細胞毒性的小分子PEI,這樣結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)染試劑在體外應用可以獲得高的轉(zhuǎn)染效率和低的細胞毒性,其可降解性對體內(nèi)應用也具有重要的意義.

線性PEI——一種高效的陽離子聚合物轉(zhuǎn)染試劑

轉(zhuǎn)染效率更高，細胞毒性更低。線性PEI廣泛適用于常見細胞系，如：HEK-293、HEK293T、Hep G2、Hela、CHO-K1、COS-1、COS-7、HIH/3T3和sf9等，PEI即使在有血清存在的情況下仍然能夠高效的將核酸導入細胞，其具有*的轉(zhuǎn)染效率，重組蛋白的高表達水平，且與含血清的培養(yǎng)基相兼容，低細胞毒性，PEI的另外一個顯著優(yōu)勢是較其他轉(zhuǎn)染試劑使用成本極低。

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