“基因敲除狗”,“基因敲除猪”,CRISPR/Cas9到底是怎样一个技术

医疗器械 来源:科普中国
2015
10/28
14:11
科普中国 医疗器械

近日,中国科学家利用基因编辑技术——CRISPR/Cas9,对抑制狗骨骼肌生长的基因(MSTN)进行了敲除,培育出两只肌肉发达的“大力神”狗,成功构建了世界首个基因敲除狗模型。(可参阅医谷此前发布的中科院制造出世界首个基因敲除肌肉狗》一文

科研人员所使用的“基因编辑技术”,顾名思义,能够让人类对目标基因进行“编辑”,实现对特定DNA片段的敲除、加入等。而CRISPR/Cas9技术自问世以来,就有着其它基因编辑技术无可比拟的优势,技术不断改进后,更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。

一、与诺奖“擦肩而过”的CRISPR/Cas9技术

这不是CRISPR/Cas9这项明星技术第一次得到人们的关注。在此之前,有着“豪华版”诺奖之称的“2015年度生命科学突破奖”颁发给了发现基因组编辑工具“CRISPR/Cas9”的两位美女科学家——珍妮弗?杜德娜和艾曼纽?夏邦杰。二人更是获得了2015年度化学领域的引文桂冠奖——素有诺奖“风向标”之称,曾被认为是今年诺贝尔化学奖的最有力竞争者。

那CRISPR/Cas9到底是一项什么技术,为何能够获得如此这般青睐,又何以在短短两三年时间内,发展成为生物学领域最炙手可热的研究工具之一,并有近700篇相关论文发表?它将来又会如何影响到我们的生活?

CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶(ZFN)”、“类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。与前两代技术相比,其成本低、制作简便、快捷高效的优点,让它迅速风靡于世界各地的实验室,成为科研、医疗等领域的有效工具。

二、CRISPR/Cas系统的灵感来源

CRISPR/Cas9技术的灵感来源于细菌的一种获得性免疫系统。与哺乳动物的二次免疫应答类似,细菌在抵抗病毒或外源质粒入侵时,会产生相应的“记忆”,来抵抗该种外源遗传物质的再次入侵,而这种获得性免疫正是由细菌的CRISPR/Cas系统实现的。

在细菌的基因组上,存在着串联间隔排列的“重复序列”,这些重复序列相对保守,我们称之为CRISPR序列(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的规律间隔的短回文重复序列)。

1、“记录”入侵者档案

其中的“间隔序列”来源于病毒或外源质粒的一小段DNA,是细菌对这些外来入侵者的“记录”。(如图A所示)。


图1 CRISPR序列示意图

其中,菱形框表示高度可变的间隔序列,正方形表示相对保守的重复序列

病毒或外源质粒上,存在“原间隔序列”,“间隔序列”正是与它们互相对应。“原间隔序列”的选取并不是随机的,这些原间隔序列的两端向外延伸的几个碱基往往都很保守,我们称为PAM(Protospacer adjacent motifs-原间隔序列临近基序)。

当病毒或外源质粒DNA首次入侵到细菌体内时,细菌会对外源DNA潜在的PAM序列进行扫描识别,将临近PAM的序列作为候选的“原间隔序列”,将其整合到细菌基因组上CRISPR序列中的两个“重复序列”之间。这就是“间隔序列”产生的过程。

2、打击二次入侵者

当外源质粒或病毒再次入侵宿主菌时,会诱导CRISPR序列的表达。同时,在CRISPR序列附近还有一组保守的蛋白编码基因,称为Cas基因。CRISPR序列的转录产物CRISPR RNA和Cas基因的表达产物等一起合作,通过对PAM序列的识别,以及“间隔序列”与外源DNA的碱基互补配对,来找到外源DNA上的靶序列,并对其切割,降解外源DNA。这也就实现了对病毒或外源质粒再次入侵的免疫应答。

正是基于细菌的这种后天免疫防御机制,CRISPR/Cas9技术应运而生,从而使科学家们利用RNA引导Cas9核酸酶实现对多种细胞基因组的特定位点进行修饰。

三、CRISPR/Cas9技术的实现需要什么?

在CRISPR/Cas9技术中,我们把即将被编辑的细胞基因组DNA看作病毒或外源DNA。基因编辑的实现只需要两个工具——向导RNA(guide RNA, gRNA)和Cas9蛋白。

其中,向导RNA的设计并不是随机的,待编辑的区域附近需要存在相对保守的PAM序列(即三碱基序列NGG,其中N可以是任意碱基),而且向导RNA要与PAM上游的序列碱基互补配对。以基因敲除为例,如图3所示,在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA(向导RNA1,向导RNA2),将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中,向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列,Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。

对于DNA双链的断裂这一生物事件,生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制,会将断裂上下游两端的序列连接起来,从而实现了细胞中目标基因的敲除。


图2 CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理图

而DNA片断的插入或定点突变的实现,只需在此基础上为细胞提供一个修复的模板质粒,这样细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变,对受精卵细胞进行基因编辑,并将其导入代孕母体中,可以实现基因编辑动物模型的构建。


图3 CRISPR/Cas9技术插入新基因原理图

当然,CRISPR/Cas9技术的成功率并非百分之百。向导RNA靶向序列的非特异性,以及DNA损伤修复的不确定性,都可能会导致基因组上其它位置产生未知的突变,也就是所谓的“脱靶”现象,这也是现阶段影响CRISPR/Cas9技术应用的瓶颈之一。但随着科研人员不断对Cas9蛋白的优化改造,对靶基因识别特异性的增强, CRISPR/Cas9技术的“打靶”效率将不断提高。

四、CRISPR/Cas9的前景如何?

CRISPR/Cas9技术在医疗健康、生产生活、家畜育种等领域的应用,不断取得喜人的新成果。

如在医疗健康领域,用iPS细胞(诱导多能干细胞)治疗人类的镰刀形贫血症,可以将病人的皮肤细胞诱导成iPS细胞,利用CRISPR/Cas9技术介导同源重组来修复发生突变的血红蛋白基因,再将修复的iPS细胞定向诱导分化为造血干细胞移植到病人体内。此外,像使用CRISPR技术根除HIV病毒、诱导宫颈癌细胞自我毁灭、构建癌症模型等最新成果先后被Nature等着名杂志所报道。在奶制品的发酵中,利用CRISPR/Cas9增强发酵菌株对噬菌体的防御能力;在家畜育种方面,也正在利用基因编辑工具通过对显着影响家畜生产性能的基因位点进行改良,以实现猪、牛、羊等大型家畜生产性能的提高等。

但正如科学是把双刃剑,任何新技术的出现都少不了其反对者的存在,在CRISPR/Cas9技术得到热烈呼声的同时,不少人也对它提出了质疑,特别是对其脱靶事件可能导致基因组其他位置产生未知突变表示担忧。

作为生命科学领域的一项重大突破,笔者认为CRISPR/Cas9的创新性、技术性毋庸置疑,随着对CRISPR系统认识的加深,实验设计的优化改造,相信其打靶效率会进一步提高,CRISPR/Cas9以及其衍生技术终究会带来一场科学史上的巨大变革。期待在不久的将来,CRISPR/Cas9所带来的巨大转变必将能够惠泽万家,到时候属于它的诺奖终将到来。

参考文献:

[1]Doudna, J.A。; Charpentier, E。, Genome editing。 The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9。 Science, 2014, 346, (6213), 1258096。

[2] Fang, R。; Chang, F。; Sun, Z。-L。; Li, N。; Meng, Q。-Y。, New Method of Genome Editing Derived From CRISPR/Cas9。 Acta Agronomica Sinica, 2013, 40, (8), 691。

医谷链

29岁中国女科学家敲除病毒基因,猪器官移植人体技术获重大突破

来源:科普中国

为你推荐

阿斯利康最新披露:在中国或面临800万美元新罚款资讯

阿斯利康最新披露:在中国或面临800万美元新罚款

据相关报道,英国当地时间4月29日,阿斯利康在最新季度的财报会议上透露,就在华涉嫌非法进口药品一事,公司可能可能会在中国面临一项新的罚款。

2025-04-30 15:53

君合盟生物重组A型肉毒毒素临床试验双线突破,覆盖严肃医疗与消费医疗两大领域资讯

君合盟生物重组A型肉毒毒素临床试验双线突破,覆盖严肃医疗与消费医疗两大领域

用于成人中、重度眉间纹适应症的III期临床试验在组长单位北京大学第一医院正式启动并完成首例入组。针对成人脑卒中后上肢痉挛治疗的II期临床试验由复旦大学附属华山医院牵头并顺...

2025-04-30 12:39

海关总署关于进口阿根廷牛黄的检疫和卫生要求资讯

海关总署关于进口阿根廷牛黄的检疫和卫生要求

本公告中的牛黄是指来自于阿根廷共和国国内养殖牛的胆囊或胆管的干燥胆结石。

2025-04-28 22:10

股价只剩2毛,这家上市15年的A股药企要退市了资讯

股价只剩2毛,这家上市15年的A股药企要退市了

上市15年后,吉药控股最终还是走向了退市的结局。

2025-04-28 17:50

科塞尔医疗完成近亿元B+轮融资,加速血管介入器械全领域平台化布局资讯

科塞尔医疗完成近亿元B+轮融资,加速血管介入器械全领域平台化布局

本轮融资由国内知名投资机构铁投巨石领投,苏高新金控持续追加投资,园雍投资跟投,资金将用于核心产品研发、全球市场推广及产能扩建。

2025-04-28 16:54

一款印度企业的原料药被暂停进口资讯

一款印度企业的原料药被暂停进口

昨日(4月27日),国家药监局发布公告称,暂停进口印度企业VITAL LABORATORIES PVT LTD 地高辛原料药。

2025-04-28 12:52

凯西集团2024财年实现双位数营收增长,不断投资研发,聚焦可持续发展资讯

凯西集团2024财年实现双位数营收增长,不断投资研发,聚焦可持续发展

凯西集团(Chiesi Group)是一家以研发为基石的意大利国际制药集团,总部位于意大利帕尔马,业务覆盖全球31个国家和地区。在2024财年,凯西集团圆满收官,取得了强劲的财务业绩...

2025-04-28 11:29

别让肺结节成心结,肺健康清“结”公益行动在人民日报社正式启动资讯

别让肺结节成心结,肺健康清“结”公益行动在人民日报社正式启动

2025年4月27日,《爱肺行动》之别让肺结节成心“结”——肺健康清“结”公益行动,在北京人民日报社正式启动,由广东省钟南山医学基金会、江苏养无极药业有限公司发起,联合京东健康...

2025-04-28 10:26

耀速科技获数千万元战略投资,以“AI+器官芯片”助力新药研发资讯

耀速科技获数千万元战略投资,以“AI+器官芯片”助力新药研发

本轮资金将用于加速公司“3D-Wet-AI”闭环技术体系的建设,并推动国际合作及多场景商业化落地。

2025-04-28 10:01

被忽视的“经期头痛”,专家提醒频繁发作需及时就医资讯

被忽视的“经期头痛”,专家提醒频繁发作需及时就医

偏头痛是一种常见的慢性神经血管性疾病,不仅有中到重度的头痛症状,还常伴随多种复杂症状比如恶心、呕吐、畏光、畏声等。女性偏头痛的发病率是男性的2~3倍,约20%~25%的女性偏...

2025-04-28 09:42

126个药品在辽宁省主动降价资讯

126个药品在辽宁省主动降价

辽宁全省所有医疗卫生机构将于04月30日起执行新的挂网采购价格。降价产品设置采购过渡期,时间为1周。

2025-04-27 18:35

A股上市公司未名医药的核心子公司,被停产资讯

A股上市公司未名医药的核心子公司,被停产

4月24日晚间,未名医药发布公告称,4月22日,天津市药监局发布公告,对公司控股子公司天津未名生物医药有限公司(以下简称“天津未名”)进行了药品GMP符合性检查。经综合评定、...

2025-04-27 11:34

瑞博生物港交所递表,小核酸药物龙头企业有望登陆资本市场资讯

瑞博生物港交所递表,小核酸药物龙头企业有望登陆资本市场

瑞博生物成立于2007年,专注于RNA干扰(RNAi)技术开发及小核酸药物产业化,是全球最早布局该领域的开拓者之一。

2025-04-27 10:36

Cytiva与中欧创新医药与健康研究中心签署全面合作协议资讯

Cytiva与中欧创新医药与健康研究中心签署全面合作协议

双方将携手在细胞治疗药物成果转化领域展开全面合作,推动大湾区生物医药产业的蓬勃发展,打造全球生物医药创新高地。

2025-04-25 19:49

精鼎医药任命 Charlotte Moser为公司首席医疗官,负责领导全球医学战略资讯

精鼎医药任命 Charlotte Moser为公司首席医疗官,负责领导全球医学战略

今日(4月25日),致力于为客户提供I至IV期全方位临床开发服务的跨国合同研究组织(CRO)精鼎医药宣布,公司已任命 Charlotte Moser博士出任首席医疗官。

2025-04-25 15:06

强生宣布锐珂(埃万妥单抗注射液)联合化疗方案在华获批,用于EGFR TKI经治后局部晚期或转移性非小细胞肺癌患者治疗 资讯

强生宣布锐珂(埃万妥单抗注射液)联合化疗方案在华获批,用于EGFR TKI经治后局部晚期或转移性非小细胞肺癌患者治疗

强生公司今日(4月25日)宣布,旗下创新治疗药物锐珂®(埃万妥单抗注射液)正式获得国家药品监督管理局批准,与卡铂和培美曲塞联合给药,适用于治疗携带表皮生长因子受体(EGFR...

2025-04-25 15:00

凶险的百日咳,发病率40年新高!专家:婴幼儿需“加速免疫”资讯

凶险的百日咳,发病率40年新高!专家:婴幼儿需“加速免疫”

2024年1至12月全国共报告百日咳近50万例,是2023年的12倍,跃升至近40年来的峰值。

2025-04-25 14:12

《新英格兰医学杂志》发布: 研究证实速福达可将流感病毒家庭传播概率降低32%资讯

《新英格兰医学杂志》发布: 研究证实速福达可将流感病毒家庭传播概率降低32%

罗氏全球今日(4月25日)宣布,速福达®(玛巴洛沙韦)III期临床试验CENTERSTONE研究详细结果在《新英格兰医学杂志》(NEJM)上发布。结果显示研究达到了主要终点:流感感染者单...

2025-04-25 13:34

阿斯利康携手本土创新力量,持续探索非小细胞肺癌联合治疗方案资讯

阿斯利康携手本土创新力量,持续探索非小细胞肺癌联合治疗方案

阿斯利康与石药集团、映恩生物和银珠医药三家本土生物医药公司正式签署临床研究合作协议

2025-04-25 10:58