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什么是基因編輯技術(shù)?(上)
發(fā)布時(shí)間: 2024-06-05 點(diǎn)擊次數(shù): 578次一、前言
每一個(gè)生命個(gè)體都是由無數(shù)精妙的生物分子共同組成的。而其中的DNA就像是生命的藍(lán)圖,DNA中的每一段特定序列,即我們所稱的基因,各自承擔(dān)著特定的生物學(xué)功能。它們共同調(diào)控著生物體的生長、發(fā)育、繁殖等一系列復(fù)雜的生命過程。然而,并非所有基因都是十全十美的,有時(shí)候,基因中的一點(diǎn)小小改變,就可能導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生。但如果我們能夠像編輯文字一樣編輯這些基因,那我們就有可能修復(fù)這些錯(cuò)誤,治療疾病,甚至創(chuàng)造出新的生命形式。這個(gè)想法并非遙不可及。在21世紀(jì)的今天,一種名為"基因編輯"的技術(shù)正在逐漸實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想,它正在深刻地改變我們對(duì)生命的理解和認(rèn)知。
自1970年以來,基因工程已經(jīng)成為一種在生物體中引入新遺傳成分的主要手段。但這項(xiàng)技術(shù)有一個(gè)顯著的缺點(diǎn):DNA的插入是隨機(jī)的,不能精確地將基因定位到生物基因組內(nèi)的特定位點(diǎn)。這種隨機(jī)性可能會(huì)損害或改變宿主基因組中的其他基因。
為了解決這個(gè)問題,科學(xué)家們開始研發(fā)一系列的基因編輯技術(shù)。這些技術(shù)不僅能在基因組中插入新的基因,還能精確地將這些基因定位到特定的位置,避免對(duì)其他基因的無意干擾?;蚓庉嫾夹g(shù)的出現(xiàn),使得我們能夠從“粗糙"的基因操作,轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬?xì)"的基因操作。這一系列突破性的研究不僅提高了基因操作的準(zhǔn)確性,也為我們解決遺傳疾病和開發(fā)新的生物技術(shù)提供了更多可能性。
二、基因編輯的原理
基因編輯的原理通常涉及到一種被稱為"分子剪刀"(如CRISPR-Cas9,ZFNs或TALENs等)的工具,它可以在DNA鏈的特定位置將其切斷。這個(gè)位置是由一段引導(dǎo)RNA(gRNA)確定的,它能夠與目標(biāo)DNA序列精確配對(duì)。一旦DNA被切斷,細(xì)胞的自我修復(fù)機(jī)制就會(huì)啟動(dòng),試圖修復(fù)這個(gè)斷裂。
當(dāng)DNA雙鏈斷裂(DSBs)發(fā)生時(shí),細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)一系列復(fù)雜的自我修復(fù)機(jī)制,試圖修復(fù)這個(gè)斷裂。這些機(jī)制包括同源重組修復(fù)(HR)、非同源末端連接(NHEJ)、選擇性末端連接(a-EJ)和單鏈退火修復(fù)(SSA)。
同源重組修復(fù)(HR):同源重組修復(fù)(HR)是一種精確的DNA修復(fù)機(jī)制,但它需要一個(gè)同源的DNA模板來指導(dǎo)修復(fù)過程。同源模板通常來自于同源染色體或者姐妹染色單體。在基因編輯中,我們可以為人提供一個(gè)包含我們希望插入或替換的DNA序列的同源模板。通過精確控制模板的序列,我們就可以實(shí)現(xiàn)精確的基因編輯。但需要注意的是,HR機(jī)制主要發(fā)生在細(xì)胞的S期和G2期,因?yàn)檫@兩個(gè)階段細(xì)胞具有可供參考的姐妹染色單體。因此,在使用HR機(jī)制進(jìn)行基因編輯時(shí),我們通常需要考慮到細(xì)胞周期的影響。
非同源末端連接(NHEJ):非同源末端連接(NHEJ)可以將斷裂的兩個(gè)DNA末端直接連接起來,而不需要同源性模板。這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是可以在任何階段的細(xì)胞周期中進(jìn)行,而不受細(xì)胞分裂階段的限制。NHEJ的缺點(diǎn)是它不是一個(gè)精確的修復(fù)機(jī)制。在末端連接的過程中,可能會(huì)丟失或插入一些核苷酸,導(dǎo)致基因序列的改變。這種改變可能會(huì)導(dǎo)致基因的功能喪失或改變,所以NHEJ常常在無法提供同源模板的情況下被用于實(shí)現(xiàn)基因的突變和敲除。
選擇性末端連接(a-EJ)和單鏈退火修復(fù)(SSA):這是兩種輔助性的DNA修復(fù)機(jī)制,它們?cè)谔囟ǖ臈l件下被激活。a-EJ是一種不依賴于DNA-PKcs的末端連接機(jī)制,通常在非同源末端連接(NHEJ)不能正常工作時(shí)被激活。單鏈退火修復(fù)(SSA)則是一種依賴于大量的末端單鏈切除的修復(fù)機(jī)制。在SSA過程中,兩個(gè)斷裂的DNA末端會(huì)被切除成單鏈,然后這兩個(gè)單鏈會(huì)尋找并退火到相同的序列,最后通過切除和連接的方式修復(fù)斷裂。這兩種修復(fù)機(jī)制都需要對(duì)斷裂的DNA末端進(jìn)行大量的切除,以形成單鏈DNA,這可能會(huì)導(dǎo)致一些遺傳信息的丟失。因此,它們都不是精確的修復(fù)機(jī)制。但在基因編輯中,我們可以巧妙地利用這些機(jī)制來實(shí)現(xiàn)特定基因的突變和敲除。
而在DNA的自我修復(fù)過程中,科學(xué)家可以利用一種被稱為"修復(fù)模板"的DNA片段來引導(dǎo)修復(fù)過程。這個(gè)修復(fù)模板包含了科學(xué)家想要插入、刪除或更改的DNA序列。當(dāng)細(xì)胞的修復(fù)機(jī)制被激活時(shí),它就會(huì)使用這個(gè)修復(fù)模板來修復(fù)DNA斷裂。
三、鋅指核酸酶技術(shù)(ZFN)
鋅指核酸酶(ZFN)技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家在非洲爪蟾的調(diào)節(jié)因子中發(fā)現(xiàn)了鋅指蛋白(zinc finger protein,ZFP)。這種蛋白能夠識(shí)別并結(jié)合到特定的DNA序列。后來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)通過改造這些蛋白可以將其與FokI酶結(jié)合,產(chǎn)生成為一個(gè)能夠在特定DNA序列處切割DNA的工具,前者負(fù)責(zé)識(shí)別,后者負(fù)責(zé)切割DNA。這就是鋅指核酸酶。
1、ZFN技術(shù)的原理
ZFN由兩部分組成:鋅指蛋白(ZFP)和FokI內(nèi)切酶。ZFP是一種DNA結(jié)合蛋白,它可以識(shí)別并結(jié)合到特定的DNA序列。FokI內(nèi)切酶是一種核酸酶,它可以切割DNA。這兩部分結(jié)合在一起,形成了一種可以在特定位置切割DNA的工具。
鋅指蛋白(ZFP):鋅指蛋白由一個(gè)或多個(gè)鋅指模塊組成,每個(gè)模塊可以識(shí)別并結(jié)合到DNA序列上的3個(gè)堿基。通過改變鋅指模塊的數(shù)量和類型,可以改變ZFN的識(shí)別特異性。例如,如果一個(gè)ZFN包含6個(gè)鋅指模塊,那么它可以識(shí)別18個(gè)堿基的DNA序列。這就使得ZFN能夠非常精確地定位到基因組中的特定位置。 FokI內(nèi)切酶:FokI內(nèi)切酶是ZFN的切割部分。它是一種核酸酶,可以在DNA雙鏈上產(chǎn)生切口。然而,F(xiàn)okI內(nèi)切酶只有在形成二聚體的情況下才能工作。這也就意味著需要兩個(gè)ZFN分子在相鄰的DNA序列上結(jié)合,才能形成一個(gè)有效的FokI內(nèi)切酶二聚體,從而切割DNA。
DNA切割和修復(fù):當(dāng)ZFN在特定的DNA序列上產(chǎn)生切口后,細(xì)胞的DNA修復(fù)機(jī)制就會(huì)啟動(dòng)。這通常會(huì)通過兩種途徑進(jìn)行:非同源末端連接(NHEJ)或同源重組(HR)。NHEJ是一種錯(cuò)誤修復(fù)機(jī)制,它會(huì)在DNA切口處隨機(jī)添加或刪除堿基,從而導(dǎo)致基因突變。HR則是一種精確的修復(fù)機(jī)制,它需要一個(gè)與切口處的DNA序列相匹配的模板,接著按照這個(gè)模板精確地修復(fù)切口。通過提供一個(gè)含有所需變更的DNA模板,科學(xué)家們就可以利用HR機(jī)制來進(jìn)行精確的基因編輯。
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