什麼是CRISPR？基因工程的新世界

什麼是基因？

一個生物可以擁有多少個基因？

基因可以被修飾嗎？

CRISPR是什麼意思？

CRISPR系統如何用作基因修飾方法？

基因修飾可用於什麼？

是否可以對人類進行基因改造？

簡述

無論是單細胞還是複雜的多細胞生物，有關結構和功能的所有信息都存儲在遺傳材料即DNA中。 細胞或生物的完整遺傳物質稱為基因組。

真核細胞

基因結構

原核細胞的遺傳物質組織在單個環狀DNA分子中。

在真核細胞核中發現的DNA大分子形成染色體（與蛋白質一起）。

染色體

染色體的數量是該物種的特徵。人體細胞中有23對染色體，配子中有23條染色體。

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什麼是基因？

基因組，即生物的遺傳物質，由基因組成。 許多基因編碼蛋白質，而另一些則包含調節和合成蛋白質的必要信息，這些蛋白質在細胞和人體的生長和功能中發揮作用。

後代從父母那裡繼承他們的基因。

一個生物可以擁有多少個蛋白質編碼基因？

這些基因的數量在物種之間差異很大。

基因可以被修飾嗎？

基因可以自然方式進行修飾。

遺傳物質可以永久改變。 在這種情況下，DNA的改變是永久的。 這稱為變異。

如果基因的一小部分，即僅某些核苷酸發生變化，則該突變為點突變。 科學家們假設一生中一個人可以發生100-200個點突變。 並非所有的突變都具有明顯的作用，也就是說，並非所有的突變都在個體的表型中表達，並且並非所有的突變都由後代遺傳。

研究人員還可以引起基因改變，從而進行基因修飾。

除了繪製物種的基因組圖譜，科學家還可以改變個體表達的基因。 這些技術稱為基因工程，基因治療，基因改造等。

CRISPR是什麼意思？

生物體的基因組可以包含回文的短序列，某些酶可以輕鬆識別它們。 例如，細菌的限制酶（DNA切割酶）可以在稱為限制位點的特定識別位點切割DNA，該識別位點是核苷酸的迴文序列。 例如，EcoRI酶識別迴文序列GAATTC，並在G和A之間切割。

但是CRISPR是什麼意思？

1987年，在大腸桿菌的遺傳物質中發現了重複序列，但這些序列的功能尚不清楚。後來在其他細菌的基因組中也發現了類似的序列。結果發現，這些包含20-50個鹼基對的短序列源自病毒。

在21世紀初，人們證明細菌能夠防禦噬菌體（感染細菌的病毒）。他們可以通過酶切割病毒DNA片段，然後將它們整合到自己的細菌基因組（CRISPR）中，從而創造出病毒的「記憶」。這些片段稍後可用於檢測和銷毀病毒。

當後代遇到同一種病毒時，細菌細胞可以「記憶」病毒感染並對特定病毒產生免疫，類似於多細胞生物的免疫系統。

CRISPR系統如何用作基因修飾方法？

2012年，三個獨立的研究團隊同時描述了利用細菌的抗病毒防禦機制在植物，動物甚至人類細胞中進行基因組編輯的技術。

基因組編輯是一種遺傳工程，其中特定的DNA序列在生物體的基因組中被刪除，插入或替換。

CRISPR / Cas9系統可以在細胞的特定位置進行靶向突變，這也是為什麼它通常被稱為「 DNA剪刀」的原因。

原始系統的三個組件如下。

• CRISPR產生的短RNA，攜帶有關將要裂開的DNA的信息。有必要進行靶向（crRNA）
• 更長的，具有恆定鹼基序列的RNA，是切割所必需的，稱為CRISPR反式激活RNA（tracrRNA）；
• Cas9是一種核酸酶，能夠裂解病毒的DNA。

研究人員修改了靶向RNA（crRNA），以匹配（即與之互補）選定的DNA序列（無論是缺陷基因還是具有待修飾的特定特性的DNA序列），從而使其適合靶向Cas9酶作為單個短鏈RNA並允許其從任何細胞的DNA切割任何選定的序列。通過連接crRNA和trRNA產生的這種單個修飾的靶向RNA稱為引導RNA（gRNA）。

此外，該系統可以一次針對多個基因，因此可以用於治療由多個基因引起的疾病。不僅可以在試管中，還可以在活細胞內進行修改。

基因敲除

CRISPR / Cas9複合物可以在實驗室環境中進行人工工程改造，並可以引入細胞中。在生產複合物的過程中，有可能確定它將識別的DNA片段，因此它也可以用於生物體基因的高精度修飾。識別後，複合物切割了基因，因此不會將其翻譯成蛋白質。這種基因工程方法稱為基因敲除。

基因敲入

使用CRISPR / Cas9複合物，基因敲入也是可能的。在此過程中，還必須將外源基因的DNA片段與複合物一起引入細胞。一旦複合物切斷了細胞的遺傳物質，外源DNA片段就可以結合到切割末端，新的外源基因可以整合到基因組中，或者可以將帶有突變的新基因替代原始的。

基因修飾可用於什麼？

• 有個問題我們不能確定某個種群中產生的突變是否會從該種群中釋放出來並傳播到另一個物種。另一個風險是，這種變化會導致一個物種的消失，這可能會影響其他種群。
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這也可能很危險：例如，研究人員使用可吸入病毒將誘導突變的CRISPR引入小鼠體內，從而在小鼠體內建立了人類肺癌模型。靶向RNA設計中的哪怕是很小的缺陷都可能導致事故並產生感染人類的「可吸入性肺癌」。

基因組編輯的長期後果尚不清楚。 2018年，一對基因編輯的雙胞胎（這些女孩被稱為露露和娜娜）。雖然基因改造的最初目的是使兒童抵抗愛滋病毒，這是「副作用」，但他們的智力可能也得到了提高。然而，一項研究表明，這種修飾可能會縮短它們的預期壽命。必須有足夠的時間進行風險評估。

在許多情況下，已經顯示Cas9複合物的切割不僅發生在CRISPR修飾的細胞的基因組中的計劃位點，而且還發生在其他染色體中。應該使用更新且更精確的Cas9蛋白來消除此類副作用。

科研技術期望

該技術在創造更具抗性的植物以及預防流行病和遺傳疾病方面也可能有用。使用基因修飾的另一個有希望的可能性是通過去除引起抗生素抗性的細菌基因來根除抗生素抗性細菌。它也可以用作入侵植物的控制方法。

一些令人鼓舞的結果

• 哈佛大學的一組研究人員使用CRISPR技術將猛oth象DNA插入現代大象的細胞中，目的是重建猛mm象的基因組或使這種滅絕的動物物種復活（2015年3月）。
• 中國中山大學的研究人員修改了人類胚胎中的基因組。他們使用了無生命的胚胎，並試圖修飾負責β地中海貧血的基因。但是，出於道德原因，他們的文章被《自然》和《科學》都拒絕了。 （2015年4月）

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基因修飾被用於使某些豬器官適合移植到人類患者體內。將某些器官植入人體後，負責觸發器官排斥的基因被從豬基因組中剔除。

研究人員修改了瘧疾蚊子的基因組，從而使雌性蚊子不育。這導致蚊子種群中的昆蟲數量急劇減少，從而有助於控制瘧疾。

杜克大學的一組研究人員對小鼠肌肉進行了基因修飾，以治療杜氏肌營養不良症。 （2016）。此技術此後也已成功應用於狗和人類細胞。

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關於基因工程在癌症治療中的研究取得了令人鼓舞的結果。 在賓夕法尼亞大學進行的研究中，將癌症患者的修飾免疫細胞重新插入患者體內，希望這些修飾的免疫細胞能夠破壞癌細胞。 18位患者參加了該研究（2019年4月）

• 喬治亞大學的一組研究人員在爬行動物中首次成功進行了基因組編輯，並編輯了一個影響皮膚色素沉著的基因。 實驗導致白化蜥蜴的誕生。 （2019年4月）

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在農業中，該方法可用於使農作物更具抗性：基因組編輯被用於增強小麥的白粉病抗性。

生產了無褐蘑菇。 2017年4月）。

生產出了不褐變的蘑菇。（2017年4月）。

研究人員對油菜進行基因改造以提高產油量。這可能會提高生物柴油的生產效率（2017年8月）

生產耐旱耐鹽大豆是為了幫助適應氣候變化的影響（2017年10月）。

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是否可以對人類進行基因改造？

利用CRISPS/Cas9系統，人類受精卵細胞中的基因改造將出現在人類所有的身體細胞中。也就是說，它可以用於人類基因組編輯。

2015年12月，與新技術相關的倫理問題在一次國際會議上進行了討論。這次會議由諾貝爾獎獲得者分子生物學家大衛巴爾的摩組織，在美國華盛頓舉行。人們達成了一項協議，認為對人類基因組進行永久性的遺傳性改變是不負責任的。

2016年2月，英國批准了對人類胚胎基因的修改，但該胚胎將在14天內被銷毀。

一些臨床試驗已經被批准用於患有晚期或無法治癒疾病的患者。例如，將通過直接將基因注射到治療先天性黑蒙的系統中來啟動。以前的臨床試驗已經使用CRISPR技術編輯從體內取出並注射回來的細胞的基因組。然而，科學家們擔心基因工程可能會導致患者出現意想不到的疾病。

「設計嬰兒」這個話題引發了一個倫理問題。也就是說，這項技術可以讓父母選擇孩子的性別、眼睛顏色、面部形狀，以及嬰兒對疾病和感染的易感性，甚至他們的心理特徵。預防致命疾病和為我們的後代定製採摘特徵之間的界限還不清楚。