引领基因编辑时代的革命

2015-01-09 | 作者: 杜卉 孙凯 | 标签: 基因编辑

2014年,一场“风暴”几乎席卷了整个生物医学研究领域,而这场“风暴”的中心就是CRISPR/Cas9基因编辑技术。4月,美国批准了首个CRISPR/Cas9技术的专利申请。11月,美国加州大学伯克利分校的杜德纳(Doudna)和德国亥姆霍兹传染研究中心的卡彭特(Charpentier)因在CRISPR研究方面做出了突出的贡献而获得了今年的科学突破奖。CRISPR/Cas9技术究竟是什么?它有着什么样的“魔力”能够让世界范围内生命科学领域的专家学者们对它钟爱有加?让我们一起来揭开它神秘的面纱。

起源和发展

1987年,日本学者发现,在大肠杆菌的基因末端(碱性磷酸酶基因的3’侧翼区)有一段间隔重复的DNA序列。之后更多的研究证实,这种重复序列广泛存在于细菌中。2002年,将其命名为CRISPR(clustered regularly inter spaced short palindromic repeats),即成簇的规律间隔的短回文重复序列区域(图1)。

2005年,美国等国家进行的多项研究显示,CRISPR中的间隔序列和噬菌体或质粒的序列之间存在同源性,有些甚至达100%。这表明这些间隔序列可能来源于噬菌体基因组。2007年,科学家通过实验证实了该观点,并在链球菌中(图2)通过增减CRISPR中的序列改变了其对噬菌体的免疫力。

在CRISPR序列位点的周围存在着一组序列(Cas蛋白组),这其中包含有核酸内切酶、核酸外切酶和DNA-结合区等结构域。随着对不同细菌的基因组的测序和更多相关研究的积累,越来越多不同细菌中的CRISPR系统和Cas基因被发现,其作用机理也逐渐清晰。而Cas蛋白就是其中位点的关键作用点,研究者们根据其作用方法的不同,将其分为了三类(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)。

2012年,CRISPR/Cas9技术开始崭露头角,源于杜德纳(Doudna)和其同事发现了一个比较简单的CRISPR(Ⅱ型)系统并对其进行了改造。在这套系统中,只需要一个Cas9核酸内切酶和一条合成两种RNA(CRISPR-derived RNA,crRNA和trans-acti vating RNA,tracrRNA)的嵌合RNA,就可以对双链DNA进行编辑(图3)。同时,他们还阐明了其中RNA和编辑目标DNA之间碱基配对的原则。2013年1月,科学家用这项技术首次成功对人类细胞的特定基因进行了定向编辑。

用途及前景

CRISPR/Cas9何以能够“引无数英雄竞折腰”?通过检索近两年该技术所取得的成果,也许从中可略知一二。

构建动物疾病模型通过该技术目前已经成功构建了携带定向突变的基因工程猴模型(图4)、人肝癌小鼠模型、条件性表达Kras肺癌基因小鼠模型等,这些模型可以用于疾病机制及药效的研究。

基因治疗和预防通过该技术现已成功地将艾滋病病毒从培养的人类细胞中清除。我国学者也已利用这项技术将修复后的Crygc基因(小鼠遗传性白内障基因)传递给下一代,实现了治愈小鼠遗传性白内障的目的。因此,未来或许只需要进行基因的修饰就可以根治和预防某些疾病。

生物物种的改良我国学者已经实现了水稻特定基因的高效、可稳定遗传,对现有的基因进行替换、删除或敲入,促进物种的改良。这可以大大加快良种的育种速度。

解密人类基因功能基因的定点敲除可以对单个基因的特定生物学功能开展研究,揭示其作用,为完成人类基因组功能图谱的绘制提供可能。

组织和器官再生与诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,IPS细胞)技术等相结合,使修复后的IPS细胞(见备注)重新发育成正常的组织和器官,供患者移植。优点和仍面临的问题

CRISPR/Cas9技术较之前的基因编辑技术,如归巢内切酶(HEase)、锌指核酸酶(ZFN)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)技术的优点有哪些呢?

首先,CRISPR/Cas9技术的可编辑位置较多,理论上每8个碱基中就可以找到一个可进行编辑的位置。

其次,CRISPR/Cas9技术更具拓展性,如其可仅对DNA双链中的单链进行编辑,规避染色体变异的风险。

再次,Cas9蛋白可以与其他功能蛋白连接,在特定DNA序列上进行相关蛋白作用的研究。

最后,也是最重要的一点,CRISPR/Cas9技术操作简便且相对之前的编辑技术经济得多,只须简单的几步就可完成,几乎所有实验室都可以进行。

脱靶效应(off-target effect)是目前CRISPR/Cas9面临的最大问题,即在基因组的非目标位置产生非必要的DNA突变。通俗来讲就是辨识错了需要编辑的目标基因。对于这个问题,我们咨询了北京生命科学研究所的张昱博士,他认为,目前对于CRISPR/Cas9编辑过程中的脱靶效应,可以行全基因组测序等方法对其检测,通过控制反应的时间和空间可以降低其效应。总体来说,并没有发现CRISPR/Cas9有严重和预料之外的脱靶效应。

结语

上世纪70年代末,科学家就已经能够通过将人源基因编辑到大肠杆菌基因中进行胰岛素的生产,这表明基因编辑技术在生物医学领域有着巨大的应用潜力。然而,早在2000年,人类基因组的草图就已经基本绘制完成,但十几年来,揭示这些基因的具体功能和作用的研究并没有取得突破性的进展。其中一个重要的原因就在于,以往进行基因编辑的技术操作过程复杂、耗费昂贵等。而现在,这一切都因CRISPR/Cas9技术的出现而发生着巨大的改变。

在科幻电影中,我们常常可以看到类似的场景,当人患病时,只须躺在治疗床上,机器就会对人类的基因进行扫描、定位并治愈疾病,这或许在不久的将来即可成为现实。正如美国哈佛大学干细胞与再生生物学系生物学家、诺贝尔奖获得者克雷格?梅洛(Craig Mello)所说:“正是因为有了CRISPR,使得过去一切不可能的想法变成了可能。我们的生物机体究竟是如何工作的,仍然是一个谜,我们仅仅是刚刚迈入了研究这个生命领域的边缘”。

注:IPS细胞是将人体皮肤细胞等体细胞通过基因转染等技术直接重构成为胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESC)样具有多分化潜能的细胞。

来源:中国医学论坛报

相关文章