最近热炒的基因组编辑技术CRISPR究竟是什么?

摘要

2012年,一种叫做CRISPR的基因组定向编辑工具进入了人们的视野[1]。目前,此技术的成功应用包括:改变猴子[2]和老鼠[3]的DNA;从一个感染了HIV病毒的人类细胞中移除HIV病毒[4][5];甚至改变人类胚胎里的基因[6]。除此之外,此技术在植物上,包括水稻、小麦以及模式作物拟南芥和本生烟中都已成功应用[7]。

题图

​​文/马妍

2012年,一种叫做CRISPR的基因组定向编辑工具进入了人们的视野[1]。目前,此技术的成功应用包括:改变猴子[2]和老鼠[3]的DNA;从一个感染了HIV病毒的人类细胞中移除HIV病毒[4][5];甚至改变人类胚胎里的基因[6]。除此之外,此技术在植物上,包括水稻、小麦以及模式作物拟南芥和本生烟中都已成功应用[7]。

而围绕这一技术,很多有趣的争论也在网上盛行。如:我们要复活猛犸象吗?我们应该改造人类胚胎吗?我们可以长生不老吗?抑或,我们可以运用此技术将我们认为有害的生物从地球上消除么?很多人说,CRISPR将掀起一场生物变革。那么,这种听起来全能的基因组编辑技术,到底是什么?

CRISPR技术最初来自于一个基础研究,主要目的在于了解细菌如何对抗感染的病毒。当病毒感染细胞时,它们会把自身的DNA插入到该细胞中。而很多细菌在它们的细胞里存在一种叫CRISPR的适应性免疫系统,它可以使细菌检测到病毒DNA并将其消灭掉,而在此过程中,病毒DNA中的一小段会保留到细菌自身的DNA中。这些成簇的病毒DNA会被插入到一个名为CRISPR的位点。

CRISPR的基因座其实上就是细胞的一张基因疫苗接种卡,可以使细胞逐渐记录那些被感染到的病毒。而这些被记录到的感染病毒,一旦其片段DNA被插入到细菌染色体内,细胞就会复制出一小段RNA分子,它就是病毒DNA的复制品。更重要的是,这些片段DNA会遗传到细胞的后代中去,从而保护子代也不受病毒感染[8]。

CRISPR全名为:Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(规律成簇的间隔短回文重复序列),最初于1987年在大肠杆菌中被发现[9]。从这个定义来看,CRISPR分为两部分:Clustered regularly interspaced & short palindromic repeats。首先来看short palindromic repeats(短回文重复序列):说明它是较短的DNA片段,其次应具有回文特性。简单来说如下图:双链DNA左右两条链碱基序列相同而反向。

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​然后满足重复特性,如下:

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​再看另一部分定义,Clustered regularly interspaced,也就是说规律性间隔,所以以上这些短回文重复序列由spacer DNA(间隔序列,下图中间的彩色部分)连接起来。有趣的是,这些spacer DNA并不相同,每个都是独一无二的[10]。

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​随后,科学家发现,在CRISPR系统里,还有一些基因与CRISPR联系,这些基因称之为CRISPR- associated genes,即Cas genes。这些Cas基因是CRISPR免疫防御途径中的基本组成成分,往往与CRISPR位点的重复序列相连[11]。如下图所示:

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​            Cas genes                              CRISPR

而Cas 基因编码的Cas蛋白,扮演了DNA剪刀的角色。它在一个RNA分子(guide RNA)的指示下,与guide RNA组成一个整体,然后会在细胞的所有DNA里来回寻找,来找到符合其结合的RNA序列的位点。好比细胞的卫兵一样在染色体上进行“巡逻”。

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​一旦找到入侵的DNA,这个综合体就会嵌入其DNA双螺旋结构(上图的蓝色部分)。此时Cas蛋白就像剪刀一样,可以精准地切断病毒DNA,从而使其DNA断裂[8]。

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​而当一个植物或动物细胞在它的DNA中检测到其双股螺旋断裂时,会迅速启动“自我修复”机制来修复这种断裂。

细胞内存在两种修复机制,第一种是直接将断裂的DNA尾端接合在一起。可是这种直接连接往往容易“出错”,即有时候会多出或少出碱基。所以此方法并不是理想的基因改造方式。第二种修复机制是借由在该位置处聚集新的DNA片段来修复断裂,即寻找一条相同的DNA来修复。比如人类基因,我们有一组染色体来自于父亲,另一组染色体来自于母亲。所以当其中一条DNA受损时,细胞可以用另外一条来修复。

而我们今天要讲的CRISPR技术正是基于此原理。如果我们有一种方式可以精准地进入DNA并引导其“双股螺旋断裂”,如在发生突变的位置处或附近制造断裂,那么我们就可以刺激细胞来修复这种断裂。

而在这里我们可以利用其特性将其“掉包”:用一条在两端上与原来相同,而中间却不同的新DNA来修复。而中间不同的这部分,就是我们用来改变或删除基因中某些信息的部分[12]。换言之,可以将基因组进行“人为编辑”。

通过了解Cas蛋白质的功能,利用其高度准确性的特点,我们可以用来辨认特定的DNA序列,并且在DNA的特定位置制造一个断裂使其产生精确改变,来消除细胞中特定的DNA 片段或者插入特定的DNA片段到细胞中。就跟我们使用文字处理软件来修改文档中的错别字一样,你可以取出整段基因,再加入一个进行替换,甚至可以编辑基因中的单个碱基。此工具可以当做一种基因工程技术来使用,且几乎适用于所有物种。

简言之,CRISPR是一种允许研究者可以快速、精准、简单地修改基因组的工具。利用此技术,可以让科学家通过改变细胞里的DNA,从而治愈由于基因突变引起的疾病。

基因工程并不是一个新概念,上世纪70年代就已经被提出且发展起来。如今,我们已经拥有了DNA测序、DNA复制甚至DNA修改技术。

7​基因工程的应用 [13]

但是,这些技术普遍存在着效率不高或操作复杂的问题。

而CRISPR技术不仅价格便宜,而且操作简单。有多便宜呢?价格可以较之前的几千美元到如今的几百美元,而时间上也从过去的几周到现在的几天。

如今,这项技术已经被用来实现一些非常精准的改变(如文章开始所示),相信很快将会看到它在临床上的应用。

但是,也有一个不得不思考的方面,这也是目前国际上普遍存在的一种担忧:即CRISPR技术也能被用在强化性能上。想象一下我们可以尝试设计制造人类,使其拥有更强壮的骨骼、更高的智力、或降低一些疾病的诱发几率,甚至拥有某些我们期待已久的特征。也就是所说的“订制人”。

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​虽然目前为止,具备这些特征的相关基因信息大部分仍然是未知的,但CRISPR技术为我们提供了一个很重要的可以改变现状的工具。尤其当我们获得了这些基因的信息后,这势必会引发一系列我们必须仔细思考的道德问题。而我们能做的,除实事求是讨论利弊外,还要能对我们做出的选择负责[14]。

参考文献:

[1] Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity[J]. Science, 2012, 337(6096): 816-821.

[2] Niu Y, Shen B, Cui Y, et al. Generation of gene-modified cynomolgus monkey via Cas9/RNA-mediated gene targeting in one-cell embryos[J]. Cell, 2014, 156(4): 836-843.

[3] Wang H, Yang H, Shivalila C S, et al. One-step generation of mice carrying mutations in multiple genes by CRISPR/Cas-mediated genome engineering[J]. cell, 2013, 153(4): 910-918.

[4] Wang Z, Pan Q, Gendron P, et al. CRISPR/Cas9-derived mutations both inhibit HIV-1 replication and accelerate viral escape[J]. Cell reports, 2016, 15(3): 481-489.

[5] Wang G, Zhao N, Berkhout B, et al. CRISPR-Cas9 can inhibit HIV-1 replication but NHEJ repair facilitates virus escape[J]. Molecular Therapy, 2016.

[6] Tang L, Zeng Y, Du H, et al. CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human zygotes using Cas9 protein[J]. Molecular Genetics and Genomics, 2017: 1-9.

[7]Shan Q, Wang Y, Li J, et al. Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system[J]. Nature biotechnology, 2013, 31(8): 686-688.

[8] TED talk: How CRISPR lets us edit our DNA. By Jennifer Doudna

[9] Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, et al. Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product[J]. Journal of bacteriology, 1987, 169(12): 5429-5433.

[10] TED talk: What is CRISPR? By Bozeman Science

[11] Sorek R, Kunin V, Hugenholtz P. CRISPR—a widespread system that provides acquired resistance against phages in bacteria and archaea[J]. Nature Reviews Microbiology, 2008, 6(3): 181-186.

[12] TED talk: What you need to know about CRISPR.By Ellen Jorgensen

[13] Hsu P D, Lander E S, Zhang F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering[J]. Cell, 2014, 157(6): 1262-1278.

[14] TED talk: Gene editing can now change an entire species – forever。By Jennifer Kan​​​​

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