基于CRISPR/Cas9基因编辑技术构建COL2A1基因突变所致软骨发育不全疾病猪模型

作     者：张铂彦 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王金成

授予年度：2020年

学科分类：1002[医学-临床医学] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 10[医学] 

主      题：COL2A1 基因突变 CRISPR 猪模型 遗传性骨骼疾病 二型胶原蛋白病 气管塌陷 

摘      要：研究背景:遗传性骨骼疾病是由于调控骨骼软骨发育的基因发生突变而产生的一系列以骨骼发育异常为特征的疾病。近年研究发现,编码二型胶原蛋白的COL2A1基因是调控软骨发育的重要基因,且当COL2A1基因不同位点发生突变、或是突变类型不同时,会导致一系列严重程度差异很大的疾病表型,至今为止,COL2A1突变的病理学机制研究还没有得出非常明确的结论。CRISPR/Cas9是2013年新开发的基因编辑工具,其机制是在gRNA的引导下Cas9核酸内切酶能够准确寻找到目标位点并且高效切割DNA片段,这一工具为基因突变的研究提供了坚实的方法基础。近年来,遗传修饰猪模型在生物、医学和农业领域发挥了巨大的科研作用,通过基因修饰,猪模型可以作为人类疾病的模型和异种器官供体,为人类健康做贡献。本实验目标旨在构建携带有COL2A1基因突变的猪模型,用以进一步研究COL2A1基因突变猪的表型和致病机制。研究方法:1.设计多对靶向COL2A1基因27号外显子的gRNA,构建包含有gRNA和Cas9蛋白的质粒。2.收集猪胚胎并进行细胞分离和培养,获得符合转染条件的猪胚胎成纤维细胞。3.通过电转染的方式将gRNA/Cas9重组质粒转至猪胚胎成纤维细胞,并通过电转染效率的检测,选择更高效gRNA/Cas9重组质粒。4.通过电转染,将重组质粒和基因修复模板共转染至猪胚胎成纤维细胞,并利用单克隆筛选和鉴定的方式,获取含有目的突变片段的单克隆细胞。5.利用体细胞核移植技术和手术方式将重组胚胎置入代孕母猪。6.克隆仔猪出生后对其进行基因鉴定和脱靶位点的鉴定。7.对克隆仔猪进行影像学、转录组学和蛋白组学的检测分析,以确定COL2A1基因突变的病理学机制。研究结果:通过单克隆鉴定,在366个经过电转染的猪胚胎成纤维细胞中,有7个单克隆细胞的COL2A1基因27号外显子携带有突变,最终根据细胞生长状态选择一个带有复合杂合突变的单克隆细胞进行体细胞核移植。经过代孕母猪怀孕生产获得转基因仔猪,仔猪基因型与单克隆细胞基因型相同,在13号成对染色体的COL2A1区域分别携带有c.1744GA和c.1749delA突变,且经过脱靶检测没有发现脱靶序列。出生后的仔猪出现严重的骨骼畸形表现,四肢短小且柔软,面部扁平鼻部发育不全,且出生后不久便失去生命体征。对仔猪模型进行解剖,发现其四肢软骨均无正常骨化且关节处发育不全,肋骨明显缩短且胸廓较小。组织学H＆E染色结果发现仔猪关节软骨组织结构呈现大量空泡结构,且番红O/快速绿染色结果表现为软骨组织的软骨成分较少。进一步探究仔猪发育异常,解剖发现除肺脏明显缩小之外,其余脏器并无较大差异,且COL2A1突变猪模型的气管软骨发生塌陷。经组织学分析显示,突变猪模型的气管软骨不具备正常的支撑功能,这是导致气管塌陷的原因。研究结论:1.本实验成功构建携带有COL2A1突变的猪模型,且该模型表现出明显的骨骼异常发育表型,为探究COL2A1突变的致病机制提供了基础。2.经过组织学、转录组学和蛋白组学分析发现,在关节软骨和气管软骨组织中,二型胶原蛋白的表达量明显降低。3.仔猪体内发现气管软骨塌陷,通过组织学和免疫组化分析推断气管软骨塌陷是导致仔猪出生后死亡的重要因素。综上所述,本研究首次构建携带有人类遗传骨骼疾病的大型哺乳动物模型,该模型有助于探究人类遗传骨骼疾病,并扩大了基因编辑技术在大型哺乳动物模型中的应用范围。