簡話CRISPR/Cas9基因編輯技術

2021-01-21 大而話知

加利福尼亞大學伯克利分校教授、基因組編輯工具CRISPR/Cas9的先驅、2020年諾貝爾化學獎獲得者珍妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）說：「基因組編輯技術賦予科學家一種空前的能力。現在我們有了操控基因組的『分子手術刀』，而過去的技術卻像一把大錘。」那麼這種神奇的技術是怎麼產生的呢？它有什麼用途呢？


CRISPR/Cas9技術的誕生


CRISPR系統是細菌和古細菌對抗噬菌體的適應性免疫機制。CRISPR的全稱是「規律間隔成簇短回文重複序列」（clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats），其附近常常存在Cas蛋白質（比如Cas9）編碼基因。當噬菌體入侵細菌時，細菌從噬菌體的基因組裡「偷來」其DNA片段，並準確地嵌入現存的CRISPR序列裡。當噬菌體再次感染細菌時，細菌會發送RNA和Cas蛋白質來定位和消滅病毒。因此，CRISPR的基因座其實就好似細菌的一張基因疫苗接種卡。

                           

CRISPR的RNA分子與Cas蛋白質靶向鎖定病毒DNA

（來源：《破天機：基因編輯的驚人力量》）


大自然創造出的這套神秘的防禦系統並不編輯基因，但是它具有識別並切割特定DNA序列的能力，這和前兩代基因編輯技術ZFNs（zinc-finger nucleases）和TALENs（transcription activator-likeeffectors nucleases）是一致的。研究人員正是巧妙地利用了這個特點以及細胞修復受損DNA的能力，將CRISPR系統改造成實驗室易用的基因編輯技術（CRISPR/Cas9）。


DNA雙鏈斷裂後的修復機制（來源：《重新設計生命》）


CRISPR/Cas9技術的優勢


相比ZFNs和TALENs，CRISPR/Cas9技術具有載體構建簡單、可編輯位點分布廣泛、多基因編輯、成本低廉、編輯效率高等優勢。由於該技術優點多多，功能強大，因此得到迅速普及和應用。


CRISPR/Cas9技術的應用


從動植物基因研究和遺傳改良到創建人類遺疾病和癌症的複雜動物模型，CRISPR/Cas9及其衍生出來的一系列基因編輯工具在其中發揮著不可替代的作用。相關研究如雨後春筍。


動物中的應用：


基因融合可能會觸發腫瘤形成，研究人員利用CRISPR/Cas9技術切除導致小鼠產生腫瘤的融合基因，成功消除腫瘤細胞；

利用CRISPR/Cas9技術將老鼠的產熱基因UCP1插入豬基因組後，豬可以燃燒更多的脂肪，瘦肉率更高；

β-珠蛋白基因的突變會導致地中海貧血症和鐮刀狀細胞貧血症的發生，通過靶向抑制和β-珠蛋白功能類似的γ-珠蛋白的轉錄抑制因子BCL11A的表達，使人體重新獲得足量的γ-珠蛋白，從而治療了地中海貧血症和鐮刀狀細胞貧血症；

每年全球約200萬人需要器官移植，而器官捐獻數量遠低於需求。研究人員利用CRISPR/Cas9技術滅活了豬基因組內的逆轉錄病毒，解決了豬器官移植可能導致病毒傳染的風險，為數以百萬計等待器官移植的病人帶來了希望。


植物中的應用：


傳統誘變具有很大的隨機性和局限性，研究人員利用CRISPR/Cas9技術大規模地對水稻全基因組進行編輯，實現水稻突變體的高通量構建和功能篩選；

小麥白粉病是一種世界性病害，通過敲除致病基因TaMLO，研究人員培育出抗白粉病小麥；

草莓作為一種重要的水果，具有誘人的外觀和豐富的營養。現有草莓品種大部分為紅果，少數白果品種受到人們的青睞，研究人員利用CRISPR/Cas9技術將一個穀胱甘肽S-轉移酶（GST）基因RAP突變後，實現草莓果實顏色由紅轉白，助力栽培草莓的遺傳改良；

番茄是我們餐桌上常見的蔬菜，抗成花素基因SP5G表達量升高會導致番茄開花延遲，研究人員利用CRISPR/Cas9技術敲除了SP5G，結果基因編輯後的番茄比當前的商業品種早兩個星期開花和結出成熟的果實。



現在CRISPR技術還在不斷地優化和改造，這些工具賦予了我們無窮的創造力，唯一地限制就是我們的想像力。



[封面圖片來自網絡]

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    她們「研發了一種基因編輯方法」，重寫了「生命密碼」。這種技術工具名為CRISPR/Cas9。但它到底是什麼？有何潛力？是誰為它奠定了基礎？據埃菲社馬德裡10月7日報導，它是一種生物學工具，能以前所未有的精度來編輯基因組，而且比以前的其他任何方法都更簡便、成本更低。就像文本編輯工具一樣，CRISPR/Cas9能夠通過「剪切和粘貼」脫氧核糖核酸（DNA）序列的機制來編輯基因組。
  • CRISPR-Cas9基因編輯技術簡介
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  • CRISPR/Cas9基因編輯技術專題研討會
    日～23日（21日報到）   北京   北京冠京飯店     報名方式見本文最後一頁基因編輯技術指能夠讓人類對多個物種內的目標基因進行「精確編輯」，實現對特定DNA片段的刪除、插入、定點突變等。與傳統的TALEN和ZFN基因編輯技術相比，CRISPR/Cas9技術自問世以來，以其操作的便捷性，高效的基因編輯能力獲得青睞，成為當下科研工作者的新寵兒。目前該技術已廣泛應用於人、大鼠、小鼠、斑馬魚、果蠅、豬、水稻、小麥和擬南芥等動植物（細胞）以及細菌等微生物的基因組靶向改造，並已在功能基因組研究、疾病防治、動植物育種、動物疾病模型開發、基因治療等領域展現出巨大的應用前景。