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看基因编辑72变:未来在研究和应用中施展十八般武艺

www.zaoan.cc 2018年03月27日 10:29来源:科技日报手机版


本报记者 陆成宽

基因编辑尤其是“基因魔剪”CRISPR的新闻报道几乎每天都能见到。仅在3月份,就有两篇引起广泛关注的重磅成果,其一,曾与张峰合作开创“基因魔剪”CRISPR的科技大牛刘如谦(David Liu),利用基因编辑技术研发出给细胞活动拍照的“细胞记录仪”(CAMERA)。正如黑匣子能记录事故发生时的飞机状态,警察的随身相机能还原现场,“细胞记录仪”能够记录细胞在光照、抗生素、病毒感染后的活动变化。

另一重大成果来自于中国科学家。上海科技大学与中科院马普计算生物学研究所的研究人员在19日出版的《自然·生物技术》发表论文称,他们开发出一系列基于CRISPR/Cpf1(Cas12a)的新型碱基编辑器(dCpf1-BE),理论上可对数百种引起人类疾病的基因突变进行定点矫正,因此拥有巨大的临床应用潜力。

近年来,CRISPR基因编辑技术甚至还曾两次入选《科学》杂志年度十大科学突破榜单,基因编辑一词一时成为大众耳熟的科技名词,但它源自哪里,何时流行,为何拥有令人惊羡的十八般武艺?大多数人并不“能详”其一二。

前世 基因序列定点敲除或敲入

自1953年美国生物学家詹姆斯·沃森和英国生物学家克里克发现DNA双螺旋结构以来,人们一直都在积极探索高效便捷的基因编辑技术。到目前为止,基因编辑技术的发展已经到了第三代。

“基因编辑技术是一种可以对基因组或转录产物进行精确修饰的技术,可完成基因定点突变、片段的敲除或敲入等。”河北医科大学医学与健康研究院心血管研究中心学术带头人(PI)、基础医学院生物化学与分子生物学教研室孙绍光教授告诉科技日报记者。

20世纪80年代,基于小鼠胚胎干细胞及DNA同源重组技术的发展而催生的基因打靶技术,使生命科学研究发生了革命性改变。凭借该技术,科学家可以对小鼠等的基因序列进行定点敲除或敲入。第一代基因编辑技术横空出世。

所谓同源重组是在非姐妹染色单体之间或同一染色体上含有同源序列的DNA分子之间或分子内进行的重新组合。其中,基因敲除是把基因组中原有的删除;基因敲入则是将原本不存在的基因整合进基因组中。虽然科学家曾经凭借该技术获得了诺贝尔医学生理学奖,但是它存在一定的局限性。“它存在编辑效率低、操作难度大、周期长、花费大、应用范围受限等缺点。”孙绍光说道。

  第二代 借助核酸内切酶进行特定位点剪切

为克服第一代基因编辑技术效率低、操作难等一系列局限,上世纪90年代,科学家又开发出依靠核酸内切酶的第二代基因编辑技术,其中锌指核酸酶(ZFN)和转录激活因子样效应因子核酸酶(TALEN)是最主流代表。

ZFN是人工改造的限制性内切酶,由锌指DNA结合域和限制性内切酶的DNA切割域融合而成。它们能够识别并结合指定的位点,高效且精确地切断靶标DNA。因细胞天然具有的DNA修复能力可修复靶基因的断裂,研究人员能够对特定的基因组位点进行编辑。

TALEN技术是通过 DNA识别模块将TALEN元件靶向特异性DNA位点并结合,然后在特定核酸酶作用下完成特定位点的剪切,并借助于细胞内固有的修复过程完成基因组编辑。

今生 魔法剪刀手CRISPR及碱基编辑器

CRISPR本是细菌防御病毒入侵的一种机制,2012年被科学家开发成为当今可高效、精确、程序化地修改细胞基因组的热门工具。

如果我们把病毒性感染视为一个定时炸弹,在它“爆炸”之前,细菌只有几分钟的时间来拆除这个炸弹。因此,许多细菌都有一种叫做CRISPR的适应性免疫系统,这个系统能够探测到病毒DNA并将其破坏。而Cas9蛋白能在向导RNA的介导下靶向切割病毒DNA。科学家们基于Cas9的这一功能,将其开发为一种基因操作技术,精确删除或插入特定的DNA片段。

CRISPR/Cas9技术之所以受到众多科学家的热捧,是因为它有一系列优点。“我们实验室就在用CRISPR/Cas9工具对基因的功能进行研究,它操作简便、成本低、周期大大缩短,在常规实验室就可以操作,可以在细胞水平也可以在动植物水平操作,已被广泛应用于医学、农学、微生物学等研究领域。”孙绍光说道。

近年来,虽然CRISPR/Cas9基因编辑技术被全球科学家们广泛使用,但修复点突变一直是个未解的难题。为此,刘如谦团队开发出一种“碱基编辑器”,可以将细胞内DNA的一种碱基换成另一种碱基,达到精准编辑基因的目的。

在中学我们就知道,DNA 的双螺旋结构由4种碱基组成:腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)。其中,A和T配对,C和G配对,组成了人类的遗传信息。问题是,胞嘧啶(C)容易发生脱氨突变,这样一来,C-G就变成了A-T组合。这种单碱基变异导致了数百种遗传性疾病,而碱基编辑器就可以把突变形成的A-T组合还原成C-G组合,为治愈这类遗传病找到了新的方向。

未来 在研究和应用中施展十八般武艺

基因编辑技术问世后,其应用领域就迅速扩大,包括开辟了分子生物学基础研究的新范畴,助推微生物、植物和动物的精准基因改造,以及基因治疗重大遗传性疾病。

基因编辑技术可以对动植物基因进行精准的定点修饰,这样不仅不影响动植物正常的生理功能,而且可以得到我们想要的动植物表现,譬如农作物高产、家畜瘦肉率更高等等,从而培育人类需要的优良品种。

在研究基因和疾病之间的关系时,科学家也可以通过基因编辑技术构建一些具有遗传性疾病的动物模型。“这对研究遗传性疾病具有重大意义,这也是为什么大家从第一代就开始密切关注基因编辑技术的原因。”江苏佰龄全基因生物医学有限公司联合创始人胡昕华曾表示。

基因编辑技术最受关注的应用领域当属基因治疗和药物研发。传统的基因治疗是将正常的基因片段引入细胞中替代有缺陷的基因,但是这种方法难以精准定位,可能会产生很大的副作用。而基因编辑技术能够准确修正或切除基因,这对基因突变疾病来说,无疑是彻底根治的福音。药物研发领域,应用CRISPR的团队可以将定制疗法更快地推向市场,加速药物研发过程。

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