基因編輯技術:進展與挑戰_中國發展門戶網-國家發展門戶

2020-12-05 中國發展門戶網

 

基因編輯技術：進展與挑戰

發布時間：2018-11-16 17:15:50  |  來源：中國網·中國發展門戶網  |  作者：盧俊南 褚鑫 潘燕平 陳映羲 溫欒 戴俊彪  |  責任編輯：趙斌宇

關鍵詞：基因編輯,重組核酸酶,CRISPR/Cas9,DNA介導的基因編輯

 

中國網/中國發展門戶網訊 生命科學的迅速發展使得我們從生物遺傳信息的「讀取」階段進入到後基因組時代，基因組的「改寫」乃至「全新設計」正逐漸成為現實。以設計創造新生命體為目標的合成生物學在此背景下迅速發展，並在醫藥、製造、能源等領域顯現了巨大的應用前景。基因組的從頭合成和針對天然基因組的規模改造分屬合成基因組學和基因編輯領域，均為當前合成生物學研究的熱點。合成基因組學涉及基因組的從頭設計、構建和功能表徵等，屬於自下而上的生物學研究策略；而基因編輯側重於通過對現有基因組進行刪除、替換、插入等分子操作，進而改寫遺傳信息，屬於自上而下的生物學研究策略。以上兩者的有機結合將極大地推動生物製造、疾病治療等領域的革新；同時二者也將為後基因組時代，功能基因組學的研究提供強有力的技術手段。新生命體系的從頭設計與合成不僅需要基因組序列的合成、拼接及轉移等技術，也需要高效率、低脫靶率的編輯技術以實現在基因組上進行大規模的編輯改造。在不斷的探索研究中，基因編輯技術已經從最初依賴細胞自然發生的同源重組，發展到幾乎可在任意位點進行的靶向切割，其操作的簡易和高效極大地推動了物種遺傳改造的發展。基因編輯可為合成生命的進一步改造提供手段，為新物種的創造提供更多的可能性。

基因編輯的原理

基因編輯技術是對生物體 DNA 斷裂的現象及其修復機制的應用。作為一種常見的分子生物學事件，在分裂活躍的哺乳動物細胞中，DNA 雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks，DSBs）每天會發生。DSBs 發生後細胞可以通過多種方式進行修復，包括經典的非同源末端修復（non-homologous end joining，NHEJ），選擇性末端修復（alternative end joining，a-EJ），單鏈退火修復（single-strand annealing，SSA）和同源重組修復（homologous recombination，HR）。HR 可以進行精確無誤的修復，但是需要同源模板的存在；NHEJ 則是將很大程度上沒有同源性的兩個 DNA 末端直接連接實現修復[7]，此過程中，兩個末端在大多數情況下都會發生若干核苷酸的缺失，是一種不精確的修復機制。而作為輔助性的修復機制，a-EJ 和 SSA 均需要更大幅度的末端單鏈切除，這也會導致遺傳信息的丟失。基於 DNA 斷裂修復的原理，如果在細胞中人為提供特定的同源重組模板，待目標 DNA 自然發生或者人為誘導產生 DSBs，觸發同源重組修復，就有機會把特定 DNA 序列進行刪除或者插入外源基因。在不提供同源模板的情況下，利用 NHEJ、a-EJ 及 SSA 的不精確修復機制可以實現基因的突變和敲除。傳統的基因編輯藉助細胞內自然發生的 DSBs 實現靶向整合，達到基因敲除、替換等目的。然而，在真核生物細胞裡面，通過自發雙鏈斷裂實現目的基因編輯的概率通常低至百萬分之一。人為使用化學誘導劑或者輻射處理等方法，或者使用轉座子技術也可以實現基因的突變，但是這些突變是隨機的，需要後續進行大量的篩選工作來獲得所需的基因型。定點基因編輯技術是進行基因功能研究和物種定向改造的優選策略。

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