生物技术新宠:CRISPR/CAS9-基因农业网

生物技术新宠:CRISPR/CAS9

2016-05-09 | 作者: 王萍 | 标签: CRISPR/CAS9

2014年,大明星卡梅隆·迪亚茨为科学界的两位新星杜德娜(Jennifer Anne Doudna)和卡彭蒂娜(Emmanuelle Marie Charpentier)颁发“生命科学突破奖”。她们的获奖理由是发现了一种全新的DNA编辑工具—CRISPR/Cas9。

关于这项技术,一位生物医学工程师这样评价:“如果只是一份报告发表的话,仅会获得一些关注。但是当6份报告同时发表,便意味着它是大势所趋。”

正如这位工程师预计的一样,自CRISPR/CAS9问世,短短的三年已经发展成生物学领域炙手可热的研究工具, 700余篇相关论文相继发表。依CRISPR/CAS9这项技术应运而生的生物技术公司如雨后春笋,遍布医学、动物、农业育种等领域。

聚焦科学界目光的CRISPR/CAS9究竟是一项怎样的技术?

简言之,CRISPR/CAS9是一种基因组编辑工具,可以实现人类对生物某一个DNA片段切除、添加等修饰,从而达到预期目的。CRISPR是高度保守的重复序列与间隔序列相间排列组成的结构,在这个结构附近存在一类高度保守的基因,这类基因编码的蛋白可以对特定的DNA片段进行切割,Cas9就是其中的一种蛋白。

2012年,杜德娜和卡彭蒂娜发现了CRISPR/CAS这种基因组编辑机制,她们对此进行了优化,让Cas9蛋白与向导RNA(sgRNA)结合,使其可以在DNA序列上进行准确切割。研究人员称,这项技术克服了锌指核酸酶(ZFN)和TALENs这两类之前比较热门的基因组编辑工具在使用中存在的诸多困难,操作更简洁、高效,且成本很低。正因为它有着非常低的门槛,任何一个小的生物公司都可以运用这项技术对目标生物进行编辑,达到预期目的。生物技术不再局限于大公司集团,CRISPR开启了更广泛的应用。

科学家预言,在未来的几年中CRISPR/CAS9这项技术可能会获得几亿的市场价值,掀起一股新的生物技术潮流。据统计,从2013年到2014年,涉及CRISPR/Cas9技术的资金投入增长了7倍,2014年到2015年相关资金增加两倍多。

目前,CRISPR/Cas9技术在医疗领域研究广泛。

宾夕法尼亚州大学的教授James Wilson在基因治疗中有35年的工作经验,近期他开始运用CRISPR/Cas9技术来应对罕见的遗传性肝病,并有了新的进展。Wilson称:“在此次研究中,我们通过调节基因组编辑系统来解决在成年动物中不可预见的并发症问题。”( 相关研究文章发表于Nature Biotechnology)。

非洲地区虫媒病毒的爆发每每让卫生官员们头疼不已。近期来自弗吉尼亚理工大学的研究人员利用CRISPR/Cas9对雄性蚊子进行基因工程修饰,通过一定的途径减少嗜血的雌性蚊子的数量,进而减少病毒的传播。研究者表示,希望此项研究能够对于有效抑制蚊媒病毒的传播及疾病的爆发提供新的思路和研究数据。

人类T淋巴细胞的基因变异会导致很多疾病(癌症、艾滋、免疫缺陷等)的产生,美国旧金山的科学家们使用CRISPR/Cas9系统精确改造了人类T细胞基因组,使Cas9在疾病治疗方面有了切实的应用(《美国科学院院刊》)。

CRISPR/Cas9在人类疾病治疗方面出尽了风头。它让我们在面对某些医学困境时有了新的方向,这无疑是人类的福音。

除医学之外,CRISPR在农业、动物、药制品等领域的研究也展现出独特的魅力。

20世纪80年代,转基因技术掀起了农业生物育种的浪潮,数亿农民获利,同时也因为安全问题被环保人士推到了风口浪尖上。正当许多农业生物技术公司一筹莫展之际,CRISPR的出现让大家眼前一亮。利用CRISPR/Cas9技术对植物基因组进行编辑,不会引入任何外源基因,其产物与传统农作物相比,除了性状更优良外,无其它差别,检测机构也无法对其进行区分。瑞典近期表示,“利用CRISPR/Cas9技术进行基因组编辑得到的某些植物不属于欧洲对转基因的定义范畴。”美国也表示,“新一代精准的基因组编辑技术CRISPR技术,也许不再需要进行传统基因工程技术的审核。”

国际上对于运用CRISPR/Cas9创制的植物新品种是否属于转基因尚无定论,或许CRISPR可以带我们走出转基因育种的困境。

许多国家以及跨国农业生物公司都在开展CRISPR/Cas9的相关工作。宾夕法尼亚大学的植物病理学教授杨亦农利用CRISPR/Cas9对双胞蘑菇进行了基因组编辑,以对抗蘑菇在运输和储藏过程中的褐变、和腐烂。此项研究蕴藏着巨大的商业价值。杜邦、先锋等农业巨头表示,将在2020年底向市场推广采用CRISPR技术编辑的种子。

我国在CRISPR/Cas9技术研究方面走在前列。2014年,我国中科院遗传与发育生物学研究所的高彩霞团队利用CRISPR/ Cas9系统实现了对水稻和小麦进行基因组编辑,改良了水稻的香味品质,并创制了抗白粉病小麦品种。这一结果曾令世界瞩目。

中科院植物研究所刘春明实验室利用CRISPR/Cas9系统对水稻的OsNF-YB1基因进行敲除和表达干扰,进而调控水稻的灌浆和淀粉累积。此项研究的成功为育种家提高禾本科作物产量提供了新的工具。

在动物研究领域,科学家利用CRISPR/Cas9技术成功地对多种动物的基因组进行了修饰。为了避免牛在发情期争夺配偶而产生攻击性,农场主通常会用火烫烧掉成年牛的牛角。这个过程十分残忍。最近,圣保罗一家名为Recombinetics公司利用CRISPR/Cas9技术培育出一种不会长角的牛,从而使牛无须经历被切去牛角的痛苦过程。南京医科大学的科学家成功地利用CRISPR/Cas9技术对灵长类动物猴子进行了基因组编辑,旨在建立猴疾病模型,服务于人类医学。中国科学家赖良学利用CRISPR/Cas9敲除抑制狗骨骼肌生长的基因(MSTN),培育出两只肌肉发达的“大力神”狗,使宠物狗定制成为可能。中国华大基因利用CRISPR/Cas9技术将野生Bama 猪改造成了一种宠物迷你猪,这种猪在成年时体重只有15公斤,市售标价为10000元。猪肉在非洲、亚洲都是主要的肉食物之一,在猪的养殖过程中却不可避免很多的疾病,造成很大的损失。已有科学家开始利用CRISPR/Cas9技术培育抗病的新品种猪,以降低猪养殖产业面临的瘟病风险。

在药制品发展方面,CRISPR也开辟了新的方向。儿童和成人接种的疫苗很多都是通过鸡蛋生产的。如果你对鸡蛋过敏,那么将意味着很多疫苗都无法接种。针对这一问题,生物学家利用CRISPR/Cas9技术改变细菌的一种基因,使其表达的蛋白不会在鸡蛋过敏者血清中触发反应。这种基因组编辑过的疫苗一旦上市,很多对鸡蛋过敏的人会顺利摆脱疫苗过敏症。

临床上有很多医药产品,因为价格昂贵,致使病人无力承担而延误治疗。据统计,世界上有上亿的成年人患有糖尿病,每年因糖尿病死亡的人数为百万以上。糖尿病及其并发症在治疗中花费巨大。中科院赖良学课题组利用CRISPR/Cas9技术使猪产生的胰岛素人源化,用以解决糖尿病患者在用药方面的昂贵需求。在临床上,人血白蛋白是非常珍贵的血液增容剂。北京蛋白质组研究中心的张普民团队利用CRISPR/Cas9工具让猪的体内产生人血白蛋白,让牲畜生产珍贵的医药产品成为可能。

自CRISPR/CAS9问世,短短的三年已经发展成生物学领域炙手可热的研究工具, 700余篇相关论文相继发表。依CRISPR/CAS9这项技术应运而生的生物技术公司如雨后笋,遍布医学、动物、农业育种等领域。

作者:王萍,女,1986年出生,2011年毕业于华中农业大学,硕士研究生。现工作于中国种子集团有限公司生命科学技术中心,从事植物组织培养相关工作。

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来源:基因农业网

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