To examine the feasibility of using a sperm vector system for gene transfer, we have investigated the binding and the uptaking of foreign DNA into the sperm nucleus by PCR, in situ hybridization and LSC. We have also examined the transportation of exogenous DNA into oocytes by immunofluorescene via PCR. Sperm cells were incubated with DNA/liposome complexes (1:4 ratio) in fertilization medium with BSA or without BSA. In situ hybridization demonstrated that the transfection rate of sperm cells with and without BSA was 41 and 68% respectively, when the cells were treated with liposome/DNA complexes and 13% for DNA alone. LSC analysis showed that the binding of exogenous DNA was greatly reduced by DNase I treatment which digests DNA bound onto spermatozoa, suggesting that some of the DNA was internalized into the sperm membrane. To find out whether transfected DNA was internalized into sperm intracytomembrane, sperm DNA was amplified by inverse PCR. No PCR products were detected from sperm cells, indicating that the foreign DNA was simply bound onto the sperm membrane. To investigate transfer rates of exogenous DNA into oocytes via sperm cells, we used immunofluorescene method to follow the distribution of foreign DNA via spermatozoa: a few exogenous DNA was located in the cytoplasm of early embryos (13/60, 21.7% for DNA+/liposome+/BSA) and was not located in the pronucleus and/or nucleus. These results suggest that most of the transfected sperm cells could carry the foreign DNA into the egg by in vitro fertilization, but that the transferred DNA is degraded in the developing embryos without stable integration into the zygote genome. Therefore, we have directly injected with transfected sperm cell into oocyte cytoplasm and observed that some of the exogenous DNA was detected in preimplantation embryonic cytoplasm and expressed at preimplantation stages, suggesting that exogenous DNA in early zygote has their integrity. In this study, we have not identified a noble mechanism that interfering transportation of foreign DNA into zygote genome via spermatozoa. Our data, however, demonstrated that inverse PCR and immunofluorescene methods would be used as a new tool for follow-up of gene distribution in oocyte via sperm cells.
There are many methods to introduce exogenous DNA into embryo for the purpose of producing transgenic animals. Exogenous gene can be integrated into oocyte as a form of sperm vector. In this study, sperm was used as a vector for transgene that is enhanced green fluorescent protein (EGFP). The objective of this study was to investigate the expression of exogenous gene in bovine embryos after injection of spermatozoa cocultured with EGFP fragment. Spermatozoa were plunged into liquid nitrogen and thawed several times or shaked in 0.2% Triton X-100 to remove sperm membrane which followed by DTT treatment. (omitted)
현재까지 외래 유전자를 도입하여 형질전환 동물을 생산하는 방법이 다방면으로 연구되어 왔다. 그 중에서 본 연구에서는 정자를 EGFP 유전자와 공배양한 후 이를 난모 세포내에 미세 주입한 다음, 수정란의 발달과 ECFP 유전자의 발현을 조사하였다. 즉, 동결후 융해나 Triton X-100 처리 등으로 세포막을 파괴하여, 이들 정자를 EGFP 유전자와 다분간 공배양함으로써 정자와 EGFP 유전자와의 결합을 유도하였다. 정자나 정자두부의 미세주입에 의해 수정된 난자는 0.3%의 BSA가 첨가된 CR1aa 배양액에서 배양하였으며, EGFP 유전자의 발현은 형광현미경 하에서 관찰하였다. 통결 후 융해로 처리된 정자와 Triton X-100 처리 한 정자를 미세주입한 결과 난할율은 85.7과 80.1%였고, 배반포 발생율은 32.4 과 35.0%로서 유의차가 없었다. 동결 후 융해와 Triton X-100 으로 처리된 정자를 각각 미세주입한 수정란의 EGFP 유전자 발현율은 각각 19.1과 13.9%로서 전자가 유의하게 높았다. 또 정자 배양액에 첨가된 EGFP유전자의 농도가 54 ng/${\mu}\ell$일 때 EGFP 발현율은 15.4% 로서, 27 ng/${\mu}\ell$일 때의 9.0%와 63.5 ng/${\mu}\ell$일 때의 5.1% 보다 유의하게 높았다. 발현율을 높히기 위한 방법중 하나로써 electric shock의 방법을 이용해 보았으나 기존의 공배양 방법으로 얻은 최고 발현율인 19.1%에 못 미치는 2%를 보였다. EGFP 유전자가 발현된 수정란의 배반포 발생율은 0%로서 비발현 수정란의 29.5%보다 유의하게 낮았으며, EGFP 유전자의 발현은 mosaicism 형태를 보였다. 본 연구에서는 비록 낮은 외래 유전자 도입율을 보이기는 하나 (19.0%), 정자를 매개로 한 형질전환 동물의 생산은 그 방법이 간단하고 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 기존 보고들의 효율성을 재고하여 볼 때, 난자내 정자 직접 주입술에 의한 형질전환 동물 생산의 연구는 향후 밝은 전망을 시사하고 있다.
Jo Hwang-Yun;Jo Seong-Geun;Yun Hui-Jun;Park Mi-Ryeong;Im Yeo-Jeong;Park Jong-Ju;Kim Jin-Hoe
한국동물번식학회:학술대회논문집
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한국동물번식학회 2002년도 춘계학술발표대회 발표논문초록집
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pp.86-86
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2002
To examine the feasibility of using a sperm vector system for gene transfer, we have investigated the binding and the uptaking of foreign DNA into the sperm nucleus by PCR, in situ hybridization and LSC. We have also examined the transportation of exogenous DNA into oocytes by immunofluorescene via PCR. Sperm cells were incubated with DNA/liposome complexes (1:4 ratio) in fertilization medium with BSA or without BSA. (omitted)
Shim, Sang Woo;Kim, Young Ha;Lee, Hoon Taek;Shim, Hosup
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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제21권3호
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pp.358-363
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2008
The intracytoplasmic sperm injection (ICSI) procedure has recently been utilized to produce transgenic animals and may serve as an alternative to the conventional pronuclear microinjection in species such as pigs whose ooplasm is opaque and pronuclei are often invisible. In this study, the effects of sperm membrane disruption and electrical activation of oocytes on in vitro development and expression of transgene green fluorescent protein (GFP) in ICSI embryos were tested to refine this recently developed procedure. Prior to ICSI, sperm heads were treated with Triton X-100+NaCl or Triton X-100+NaCl+NaOH, to disrupt membrane to be permeable to exogenous DNA, and incubated with linearized pEGFP-N1 vector. To induce activation of oocytes, a single DC pulse of 1.3 kV/cm was applied to oocytes for $30{\mu}sec$. After ICSI was performed with the aid of a micromanipulator, in vitro development of embryos and GFP expression were monitored. The chemical treatment to disrupt sperm membrane did not affect the developmental competence of embryos. 40 to 60% of oocytes were cleaved after injection of sperm heads with disrupted membrane, whereas 48.6% (34/70) were cleaved without chemical treatment. Regardless of electrical stimulation to induce activation, oocytes were cleaved after ICSI, reflecting that, despite sperm membrane disruption, the perinuclear soluble sperm factor known to mediate oocyte activation remained intact. After development to the 4-cell stage, 11.8 (2/17, Triton X-100+NaCl+NaOH) to 58.8% (10/17, Triton X-100+NaCl) of embryos expressed GFP. The expression of GFP beyond the stage of embryonic genome activation (4-cell stage in the pig) indicates that the exogenous DNA might have been integrated into the porcine genome. When sperm heads were co-incubated with exogenous DNA following the treatment of Triton X-100+NaCl, GFP expression was observed in high percentage (58.8%) of embryos, suggesting that transgenic pigs may efficiently be produced using ICSI.
Nam Yoon Kwon;Kim Moo-Sang;Lee Hyung-Ho;Kim Dong Soo
한국양식학회지
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제9권3호
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pp.293-300
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1996
Validities of several gene transfer methods including microinjection, electroporation and lipo-fection with luciferase gene (pRSVL), and effectiveness of mud loach expression vector which contains ARS from mud loach on production of transgenic mud loach were evaluated. Microiniection revealed the $0\~8\%$ of transgene incidence in 2-week-old fish with significant mosaicism. Electroporation and lipofection of mud loach sperm also successfully introduced the transgene into sperm cells, and transferred the foreign DNA into zygote. Gene transfer by electroporation and lipofection showed a range of $0\~28\%$ and $0\~48.1\%$ of transgene incidence, respectively in newly hatched larvae, altough most DNA introduced were gradually degraded with the development of fish. Microinjections of mud loach expression vector caused a significantly reduced survival rate of mud loach embryos with severe teratogenic effects, and ARS/Luc transgene could not be detected in normally developed fish after microinjection.
The first Indian transgenic fish was generated in 1991 using borrowed constructs from foreign sources. To construct transformation vectors for the indigenous fishes, growth hormone genes of rohu (r-CH), Labeo rohita and catfish, Heteropneustes fossilis were isolated, cloned and sequenced; their fidelity was confirmed in prokaryotic and eukaryotic systems. A vector was constructed with grass carp b-actin promoter driving the expression of r-GH. Rohu eggs are large. fragile and swell 2~3 times. when fertilized. Hence they were amenable only for electroporated sperm-mediated gene transfer. Accordingly, the sperm electroporation technique was standardized to ensure 25% hatchling survival and 37% Presumptive transgenics without suffering any deformity. Southern analysis confirmed genomic integration in 15% of the tested individuals (Ti) belonging to family lines 2 and 3: another 25% of the Juveniles (Te) were also proved transgenic but with the transgene persisting extrachromosomally for longer than 1 to 2 years. perhaps due to the presence of replicon in the vector. Transgenics belonging to different family lines grew 6~8 times faster than the respective controls. Difference in growth trends of Ti and Te within a family line was not significant. In the Ti family 3 remarkable growth acceleration was sustained for a period longer than 36 weeks but in those of family 2, it gradually decreased. All transgenic fishes including the rohu converted the food at a significantly higher efficiency. Barring the transgenic mudloach, all the other transgenic fishes consumed food at significantly reduced rate.
Recently, sperm has been used as a vector to carry exogenous genes for the production of transgenic animals. However, the success in cattle is low, due to deficiencies in oocyte activation and sperm decondensation caused by high disulphide bond (S=S) content in mature sperm. This study was carried out to develop an effective method for producing transgenic animals with round spermatids (RS). Two methods of embryo production - electric fusion (EC) or intracyto-plasmic injection (IC) and three activation treatments were compared. RS were isolated from bull testes by Percoll density gradients (20, 35, 40, 45 and 90%). Fusion between ooplast and RS was performed with a single DC electric pulse (1.0 KV/cm, 45 sec) in 0.28 M mannitol solution supplemented with 100 M CaCl2 and 100 M MgCl$_2$. (중략)
Kim, Tae-Shin;Yang, Cao;Lee, Young-Seung;Park, Soo-Bong;Park, Chun-Keun;Lee, Dong-Seok
Reproductive and Developmental Biology
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제32권2호
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pp.81-87
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2008
Production of transgenic animals for studying specific gene has been limited due to a low efficiency, lack of skilled researchers and the need for expensive equipment. Currently, the boar spermatozoa as a vector to deliver exogenous DNA into the oocyte were used to improve the efficiency of transfection rate. In this study, we revealed that the optimal conditions for DNA uptake in spermatozoa by liposome were to 90 min of incubation, $17^{\circ}C$, $10^5$ spermatozoa, 4 ng/ml of exogenous DNA and 0.5% (v/v) liposome, without damage to fertility. In addition, the developmental rate to the blastocyst stage of embryo in control group was significantly higher than those embryos with exogenous DNA and liposome, whereas there were no significant differences in embryo development between the liposome and type of DNA. The transfection rates of embryo using treated spermatozoa with both liposome and circular DNA were higher than those using linear DNA. These findings raise the possibility thattreated spermatozoa with liposome/DNA complexes could be used in in vitro fertilization, and the exogenous DNA transferred into the oocytes. Taken together, we demonstrated that liposome a vector for the uptake of exogenous DNA in boar spermatozoa could improve the efficiency of sperm-mediated gene transfer in creating transgenic pig and the other domestic transgenic animals.
정자를 매개체로 한 유전자 전이는 형질 전환 동물의 생산을 위한 가능성 있는 간단한 방법이다. 또한 세포질내 정자 주입법에 의한 외래 유전자의 전이에 의한 형질 전환 동물의 생산이 최근에 보고되었다. 본 연구에서는 정자를 EGFP유전자와 공배양한 후 이를 난모세포내에 미세 주입한 다음, 수정란의 발달과 EGFP유전자의 발현을 조사하였다. 돼지 난자에 정자, 세포질막이 파괴된 정자 또는 정자를 주입하였다. 주입 후 수정된 난자는 NCSU23 배양액에서 배반포까지 배양하였으며, 배발생율과 EGFP 유전자의 발현을 연구하였다. 정자를 미세 주입한 결과 난할율은 67.0%로 정자두부를 미세주입한 난할율인 59.7%보다 높았고, 수정란의 EGFP 유전자 발현율은 각각 42.1와 20.0%로서 전자가 유의하게 높았다. 세포질막을 파괴하기 위해 다른 방법들로 정자를 처리하여 주입하였을 시 구정란의 배발생율에 영향을 주지 않았다 정자, 세포막이 파괴된 정자를 주입하여 배반포 발생율을 조사한 결과, 15.0과 14.2%로서 유의차가 없었다. 동결융해하거나 Triton X-100으로 처리한 정자를 주입하여, EGFP 발현율을 조사한 결과, 동결융해 정자를 사용했을 때의 성적이 38.4%로 타군의 성적인 22.4%에 비해 유의하게 높았다. 미세 주입에 앞서 정자는 EGFP 유전자의 0.01 ng/${\mu}\ell$ 부터 1 ng/${\mu}\ell$까지의 여러 농도로 배양되었다. 그러나 난할율을 조사한 결과 EGFP 유전자의 농도 차이에 따른 유의차가 없었다. 정자 배양액에 첨가된 EGFP 유전자의 농도가 0.1 ng/$m\ell$일 때 EGFP 발현율은 37.4%로서 가장 높은 결과를 보였다. 따라서 본 연구의 결과에 의하면 세포질막을 제거한 정자에 외래 유전자가 묻게 되며, 이 정자는 외래유전자를 수정란내로 옮겨 매개체로서의 역할이 가능할 것으로 생각된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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