動物生殖科技研究面面觀
講者：吳信志
國立台灣大學生物資源暨農學院
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內容大綱
引言 動物生殖科技對人類之貢獻 動物生殖科技面面觀 未來展望3
動物生殖：
1.有性生殖
受精作用
哺乳動物精子
中心粒 粒線體 頭帽 核 尾軸 頭部 頸部 中片部5
哺乳動物卵
透明帶 第一極體 卵丘細胞 冠狀細胞 皮質顆粒 紡綞絲6
哺乳動物受精作用
透明帶 第一極體 卵丘細胞 spindle動物生殖科技對人類有何貢獻？
延續各種動物之遺傳特性 供人類人工輔助生殖及節育技術之參考 在全球人口逐年增加的過程，滿足人類 對動物性蛋白質的需求 操作動物之遺傳組成以滿足人類之需求 7生物技術(Biotechnology)
利用生物程序、
生物細胞
或
其代謝物質來製造產品及
改
進人類生活品質
之科學技術
生物技術二十一世紀全球重點發展科技。 89
基因轉殖動物
複製動物
疫苗及診斷試劑
動物幹細胞
細胞及基因治療
人類疾病動物模式
其他
動物生技之範疇
加速動物生殖與遺傳性能改進效率之新科技 人工授精技術 超級排卵技術 發情同期化技術 動物之基因轉殖技術 基因治療技術 分子胚胎學相關研究技術 (i. e. 胚胎之功能性基因體研究) 動物之複製技術 基因之定位轉殖技術 基因剔除、嵌入或削弱技術 卵之體外成熟與受精技術 胚移置技術 胚之性別鑑定技術 配子及胚之冷凍保存技術 胚之融合與嵌合體動物之產生
改善經濟動物生質效率3%將導致每年增加:
1. 一百萬頭肉用小牛出生
2. 三百二十萬頭小豬出生
3. 三百七十萬加侖牛乳
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Normally, when talking about litters, the pig is the farm-animal species in mind.
目前全球的大挑戰:
1. 控制人口增長速度
2. 提高食用動物繁殖效率
學術研究面：創新突破及解決人類面臨問題 產業應用面：創造就業機會 社會生活面：傳宗接代及解決食、衣、住及行 政治面：出生率、穩定物價與經濟發展 教育面：生態平衡與生殖管控 生命面：創造宇宙繼起之生命 其他面：維持大自然生態之完整性
動物生殖科技面面觀
學術研究面：
創新突破及解決人類面臨問題
科學研究核心重點
創新性、產業利用性及
改善人類生活品質
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試管動物(小鼠、兔、豬、綿羊、山羊與牛)卵母細胞體外成熟、體外 受精及胚移置等技術之成功開發，造就出試管嬰兒的誕生
Intra-Uterine Device
避孕
Contraception
過去一世紀來階段性應用不同策略對於家畜遺傳性能改進之貢獻
個體戶養豬
人工授精 企業化養豬
牽豬哥
摘自：台灣人的懷舊照片；www.twbbs.net.tw/373070.html
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手套法採種公豬精液
ABL
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人工授精
ABL
應用人工授精技術之優點 1. 充分發揮優良種畜之遺傳潛能，加速畜群性能改進 2. 縮短後裔測定所需時程，改進選拔之正確性 3. 降低母畜之配種成本及公畜之維持成本 4. 配合母畜同期化發情、配種及分娩 5. 促進優良種原之國內外交流 6. 減少疾病傳染及確保畜群健康 7. 解決因體型或其它因素所導致之自然配種困難問題 8. 提供學術研究之工具 5 22
基因轉殖
以
人為方式
將外源基因
嵌入
生物體或將生物體之內
源基因
剔除
稱之。
動物之遺傳性能歷經數十年甚或百年 之嚴格選拔後，其能獲得的遺傳改進 量，往往可因經由基因轉殖技術之巧 妙運用，在短短單一世代中，達成與 之相同之改進效果。 基因轉殖技術為動物之遺傳改進提 供一項嶄新可行之方法。 24
25
26
分子生物學之中心法則
Replication Reverse transcription Transcription Translation DNA mRNA Protein27
功能性基因構築技術
Promoter
cDNA
功能增加
1- 組織專一性 (brain, liver, muscle …)
2- 全身性
3- 誘導性 (tetracyclin, interferon...
功能喪失 - wild-type gene
- mutant - dominant negative- antisense - ribozyme
哺乳動物基因轉殖方法
基因顯微注射
胚幹細胞載體
反轉錄病毒載體
精子載體
核移植 (複製動物)
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動 物 基 因 轉 殖 目 的：
1.改善家畜生產效率-產肉、乳、毛
2.增強動物對環境抵抗力-抗病、抗
熱
…等
3.環保-減少糞磷量
4.生產高價位醫藥用蛋白質
5.
動物模式
研究
6.生產醫療用細胞、組織、器官
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基因轉殖技術
調節基因
誘發動物產生同期化發情的兩大基本策略 21 A (黃體期) (濾泡期) (濾泡) (黃體) B 藉由縮短黃體期處理方式動物誘發達成同期發情之目標 PGF2α C 人工黃體 藉由延長黃體期處理方式動物誘發達成同期發情之目標 給予助孕素 (P4)
32 使用哺乳動物乳腺做為生物反應器生產高 價位蛋白質 46 ABL Winston Cheng
Julie Begin checks on goats at a Nexia farm in Quebec. The goats' milk contains proteins that are spun into spider silk.
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以基因轉殖豬當醫藥工廠
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應用基因顯微注射技術產生同時攜帶有人類凝血第九因子(αLA- hFIX) 及豬乳鐵蛋白(αLA- pLF)之雙基因之基改豬
ABL
藥用蛋白 類別 F-Ⅷ FⅨ GC 蛋白質C 抗凝血素 Ⅲ 血纖維蛋白 血漿蛋白 需求量估計 (kg/year) 0.3 4 10 10 21 150 315×103 目前市價 2.9 × 106 40,000 100,000 100,000 7,000 1,000 3.56 (US$/gram) 估計全球, 市場價值 870 160 1,000 100 150 150 1,120 (106×US$/year) 源自轉基因家畜生產重組藥用蛋白之潛在商機 Wall, 1996
37 (Carst et al., 1999; Picture from F. C. Gwazdauskas) ABL Winston Cheng
如何從動物生殖科技研究成果衍生至幹細胞 與再生醫學之研究領域？
如何在過程中創造高衝擊性之創新研究成果？
研究動機： 1.產製全身性表現螢光蛋白質報導 基因之轉基因小鼠及豬 2.自表現螢光蛋白質之個體組織分 離成體幹細胞 3.配合細胞治療及組織工程技 術進行再生醫學之動物模式研究
螢光基因轉殖小鼠及豬
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螢光蛋白質基因轉殖動物之產製
ERFP Β-globinPoly A
Β-actin promoter CMV enhancer intron 或ERFP cDNA
螢光基因轉殖小鼠及豬之產製 表現綠色螢光或紅色 螢光蛋白質基因之小 鼠及豬。 A:綠色螢光蛋白質基 因轉殖小鼠；B:綠色 螢光蛋白質基因轉殖 豬C:紅色螢光蛋白質 基因轉殖小鼠; D:紅 色螢光蛋白質基因轉 殖豬 A B C D 41
自螢光豬骨髓分離之表現螢光蛋白質間葉幹細胞。A 分離自綠色螢光豬之骨髓 間葉幹細胞；B 分離自紅色螢光豬之骨髓間葉幹細胞。
A
B
幹細胞(stem cells)：指具有自我更新能力， 同時亦可分化成特定細胞及組織者。
依幹細胞之可分化能力限制，可分為：
1.全能性幹細胞(totipotent stem cells) 2.多能性幹細胞(pluripotent stem cells) 3.複能性幹細胞(multipotent stem cells) 4.單能性幹細胞(unipotent stem cells)
幹細胞之定義及分類
A B C D E F 綠色螢光豬骨髓分離之間葉幹細胞(A)及經體外誘導分化後之成骨細胞(B)、神經細 胞(C)、軟骨細胞(D)、脂肪細胞(E)及產生胰島素細胞(F)之外觀形態及綠色螢光蛋 白質之一致性表現。 44
47
什麼是
“ 克隆“
？
“clone” - “
無性繁殖
”
亦稱“生命
複製
”
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哺乳動物生殖
有性生殖：
精子 卵子無性生殖：
胚分割 胚幹細胞結合四倍體胚 核移置49
ANIMAL CLONING PROCEDURE
Bisection of embryos
Production of bisected blastocyst Blastocyst 2-cell embryos
Transfer into recipient
Blastocyst(4N) with ES cells Nuclear transfer
Cultured cells Blastomeres
ES cells
Injected into host embryos
Transferred into recipient
Cloned pigs
Transferred into enucleated oocyte
Transferred into recipient
ABL
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胚分切法產製之同卵雙胞胎、三胞胎及半切胚融合後之嵌合體動物
Monozygotic twins and triplets and chimeric animals cloned after embryo-splitting and fusion of the demi-embryos
●A ●C
●D
●B
51 Sheep produced by combining a single blastomere from an 8-cell embryo with the
enucleated egg. (Willadsen, 1986)
Transfer of a single blastomere from an 8-cell embryo to an enucleated egg(s) Identical twin obtained after embryo transfer
供核：胚葉細胞
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Professor Ian Wilmut
體細胞複製綿羊-Dolly 基因轉殖複製綿羊-Polly
(Onishi, 2002)
Somatic cell nucler transfer for transgenic pig cloning
54 攜帶豬乳鐵蛋白及人類凝血第九因子之雙基因轉殖豬 我才是真正的酷比之父，因酷 比姊妹都是我女兒的分身，我 們的血脈始終是相連著。 我是“本尊”，出生在台灣動物科技研究所，某天傍晚主 人從我耳朵上取了一點皮膚，後來….後來…..就有了酷 比姐妹 供核母豬 她們既不是我的孩子，也不是我的姊妹，她們是本尊生命 之延續……… 核移植 酷比三姐妹 酷比豬之血緣
提供自體細胞移植 治療用複製 藥物篩檢 基因轉殖複製 指定位置基因轉殖 產製性別及遺傳組成一致性家畜 複製優良種畜 瀕臨絕種動物之複製 異種器官移植 體細胞核移植技術在農業及生物醫學之應用 建立胚幹細胞 複製家畜
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57 冷凍16年的小鼠細胞可以被克隆
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產業應用面：
創造就業機會
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瀕臨絕種亞洲野牛
Endangered Asian gaur
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資料來源：邰港生技
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寵物複製
商品：
技術、專利及其衍
生產品
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Nature 2008 453: 921 Yang et al., 2008 Towards a transgenic model of Huntington's disease in a non-human primate
a:明視野光源條件下之表現綠色螢光猴
b:藍光照射及黃色濾片條件下之表現綠色螢光猴
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醫學治療用複製模式避免排斥
ABL Winston Cheng 病人 體細胞核移植 體細胞分離 胚幹細胞分離 複製囊胚 卵母細胞去核 病人自體細胞 移植 體外誘導分化國家地理頻道錄製一年(2007~2008)之螢光豬研發歷程 超級豬同時向全球八十個國家播放，持續三年。
台灣亮起來創新及國際觀
