Cre-loxP系统 | 基因重组和特异表达的关键技术

Cre 重组酶(Cyclization Recombination Enzyme, 即环化重组酶)，是细菌噬菌体P1的I型拓扑异构酶。其基因编码区序列全长1029bp，为38kDa大小的、由343个氨基酸组成的多肽单体蛋白。Cre重组酶的C-末端结构域包含催化活性位点，能够催化DNA分子中特定位点之间的重组。而且与限制酶相似，能识别特异的DNA序列，即loxP位点，使loxP位点间的基因序列被删除或重组。

LoxP序列  locus of X (cross)-over in P1)，是位于P1噬菌体中长度为34bp的一段序列，由两个13bp的反向回文序列和8bp的中间间隔序列共同组成，反向回文序列是Cre重组酶的识别和结合区域，间隔序列决定LoxP序列的方向。loxP有多种突变类型，多种突变类型之间不交叉识别。

Cre-loxP系统基因重组原理

一般而言，当细胞基因组内存在两个LoxP位点时，Cre重组酶会诱导两个LoxP位点间的序列发生重组。

Cre-loxP诱导基因重组的方式

Cre重组酶介导两个LoxP位点间的重组是一个动态、可逆的过程，重组的结果取决于两个loxP位点的方向，主要有以下情况：

删除（Deletion）：如果两个LoxP位点位于一条DNA链上，且方向相同，Cre重组酶能有效切除两个LoxP位点间的序列

倒转（Inversion）：如果两个LoxP位点位于一条DNA链上，但方向相反，Cre重组酶能导致两个LoxP位点间的序列倒转

易位（Translocation）：如果两个LoxP位点分别位于两条不同的DNA链或染色体上，Cre酶能介导两条DNA链的交换或染色体易位，即基因转座

序列互换(Cassette exchange)：如果四个loxP位点分别位于两条不同的DNA链或染色体上，Cre重组酶能诱导loxP间的序列互换(cassette exchange)

两种策略实现Cre依赖的基因表达

1、DIO序列策略

DIO序列策略的关键在于引入两对不同的lox位点：LoxP和Lox2272。在Cre酶的作用下，不论是识别LoxP还是Lox2272位点，第一步都可以实现目标基因的反转。反转会使两个loxP位点或者Lox2272位点变成同向。第二步在Cre酶的作用下，剪切删除一个LoxP位点和一个Lox2272位点，进而实现基因的稳定表达。

2、LSL序列策略

LSL序列策略是将LoxP和转录中止盒插入启动子和目的基因中间，构成转录“终止盒”(Lox-stop-Lox)，这个“终止盒”能够终止基因的转录。在没有Cre酶的作用下，转录终止盒下游靶基因完全不表达。但是如果细胞中有Cre酶，终止盒会被Cre酶切除，从而实现组织特异性的基因过表达。

Cre/loxP条件性重组改造

经过现代基因工程方法对Cre和LoxP元件的改造，Cre-LoxP系统实现了更加丰富的条件性重组策略。

1、对Cre元件的改造：提高Cre重组酶活性；构建可诱导的方式

2、对loxP元件的改造：对间隔区和回文序列进行突变，突变后的序列依然能被Cre重组酶识别和重组，但是突变的loxP序列必须和同样突变的loxP序列匹配介导基因重组，在同一Cre重组酶的作用下，可以实现多序列的基因重组，产生非常多元的重组结果。下表为常见的loxP类型：

LoxP位点及其突变体位点

Cre-loxP系统的优点

1、高效性

Cre重组酶与具有loxP位点的DNA片段形成复合物之后，可以提供足够的能力引发之后的DNA重组过程，重组过程简约高效；重组不受切除片段长短及位置影响，可以在活体动物体内实现，可随细胞分裂和动物传代稳定遗传。

2、特异性强

loxP位点是一段含回文序列结构和中间有间隔的34bp元件，这种结构保证了loxP序列的唯一性，从而保证基因重组的特异性很强；在动物模型中至今未发现Loxp位点之外的非特异性重组，只在体外实验中有少量报道。

3、应用范围广

Cre重组酶是一种比较稳定的蛋白质，可以在生物体不同的组织、不同的生理条件下发挥作用，所以说Cre-loxP系统的可应用范围非常广。

4、快速性

动物实验已证实在受精卵分裂前的短时间内，Cre介导的特异性重组便会完成。

5、时空特异性

如果将Cre结构基因置于某一特定启动子或其他调节基因控制之下，便会实现Cre酶蛋白在特定组织和特定时间的可控型表达，继而限定了重组发生的时空性。①细胞类型特异启动子：aP2(脂防组织)、AQP2(肾脏集合管)、lck(胸腺细胞)、alphaA(眼晶状体)等；②外源性化学物质调控启动子：干扰素反应Mxl启动子、他莫西酚依赖的雌激素突变体启动子。

Cre-LoxP重组系统在转基因中的应用

由于Cre/LoxP重组系统高效简单的作用方式，它已在基因定点删除、外源基因定点整合、疾病动物模型建立、筛选高效表达基因座等方面得到了有效利用，成为体内外DNA重组的有力工具。

Cre-LoxP重组系统在转基因中的应用

病毒依赖的基因重组的优势

1、更强的区域特异性

由于病毒可以通过局部注射的方式保证区域特异性感染，再加上驱动Cre基因的特异性启动子，能够实现更强的区域和细胞特异性的基因重组。

2、更少的花费

购买转基因动物的费用一般是比较昂贵的，而且转基因动物的饲养、基因型鉴定都需要不少的人力、物力，而病毒的制备、保存和注射所花的费用相对来说是比较少的。

3、更短的实验周期

由于病毒能非常迅速的起作用，而转基因小鼠的交配过程特别耗时间，因此采用注射病毒到转基因小鼠体内的方式，可以大量缩短实验周期。