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什么是基因編輯技術(shù)?(上)
發(fā)布時間: 2024-06-05 點擊次數(shù): 522次一、前言
每一個生命個體都是由無數(shù)精妙的生物分子共同組成的。而其中的DNA就像是生命的藍圖,DNA中的每一段特定序列,即我們所稱的基因,各自承擔著特定的生物學功能。它們共同調(diào)控著生物體的生長、發(fā)育、繁殖等一系列復雜的生命過程。然而,并非所有基因都是十全十美的,有時候,基因中的一點小小改變,就可能導致疾病的產(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這些錯誤,治療疾病,甚至創(chuàng)造出新的生命形式。這個想法并非遙不可及。在21世紀的今天,一種名為"基因編輯"的技術(shù)正在逐漸實現(xiàn)這個夢想,它正在深刻地改變我們對生命的理解和認知。
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。但這項技術(shù)有一個顯著的缺點:DNA的插入是隨機的,不能精確地將基因定位到生物基因組內(nèi)的特定位點。這種隨機性可能會損害或改變宿主基因組中的其他基因。
為了解決這個問題,科學家們開始研發(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?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。這個位置是由一段引導RNA(gRNA)確定的,它能夠與目標DNA序列精確配對。一旦DNA被切斷,細胞的自我修復機制就會啟動,試圖修復這個斷裂。
當DNA雙鏈斷裂(DSBs)發(fā)生時,細胞會啟動一系列復雜的自我修復機制,試圖修復這個斷裂。這些機制包括同源重組修復(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(SSA)。
同源重組修復(HR):同源重組修復(HR)是一種精確的DNA修復機制,但它需要一個同源的DNA模板來指導修復過程。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,我們就可以實現(xiàn)精確的基因編輯。但需要注意的是,HR機制主要發(fā)生在細胞的S期和G2期,因為這兩個階段細胞具有可供參考的姐妹染色單體。因此,在使用HR機制進行基因編輯時,我們通常需要考慮到細胞周期的影響。
非同源末端連接(NHEJ):非同源末端連接(NHEJ)可以將斷裂的兩個DNA末端直接連接起來,而不需要同源性模板。這種機制的優(yōu)點是可以在任何階段的細胞周期中進行,而不受細胞分裂階段的限制。NHEJ的缺點是它不是一個精確的修復機制。在末端連接的過程中,可能會丟失或插入一些核苷酸,導致基因序列的改變。這種改變可能會導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(SSA):這是兩種輔助性的DNA修復機制,它們在特定的條件下被激活。a-EJ是一種不依賴于DNA-PKcs的末端連接機制,通常在非同源末端連接(NHEJ)不能正常工作時被激活。單鏈退火修復(SSA)則是一種依賴于大量的末端單鏈切除的修復機制。在SSA過程中,兩個斷裂的DNA末端會被切除成單鏈,然后這兩個單鏈會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斷裂。這兩種修復機制都需要對斷裂的DNA末端進行大量的切除,以形成單鏈DNA,這可能會導致一些遺傳信息的丟失。因此,它們都不是精確的修復機制。但在基因編輯中,我們可以巧妙地利用這些機制來實現(xiàn)特定基因的突變和敲除。
而在DNA的自我修復過程中,科學家可以利用一種被稱為"修復模板"的DNA片段來引導修復過程。這個修復模板包含了科學家想要插入、刪除或更改的DNA序列。當細胞的修復機制被激活時,它就會使用這個修復模板來修復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80年代。當時的科學家在非洲爪蟾的調(diào)節(jié)因子中發(fā)現(xiàn)了鋅指蛋白(zinc finger protein,ZFP)。這種蛋白能夠識別并結(jié)合到特定的DNA序列。后來,科學家發(fā)現(xiàn)通過改造這些蛋白可以將其與FokI酶結(jié)合,產(chǎn)生成為一個能夠在特定DNA序列處切割DNA的工具,前者負責識別,后者負責切割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):鋅指蛋白由一個或多個鋅指模塊組成,每個模塊可以識別并結(jié)合到DNA序列上的3個堿基。通過改變鋅指模塊的數(shù)量和類型,可以改變ZFN的識別特異性。例如,如果一個ZFN包含6個鋅指模塊,那么它可以識別18個堿基的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ZFN分子在相鄰的DNA序列上結(jié)合,才能形成一個有效的FokI內(nèi)切酶二聚體,從而切割DNA。
DNA切割和修復:當ZFN在特定的DNA序列上產(chǎn)生切口后,細胞的DNA修復機制就會啟動。這通常會通過兩種途徑進行:非同源末端連接(NHEJ)或同源重組(HR)。NHEJ是一種錯誤修復機制,它會在DNA切口處隨機添加或刪除堿基,從而導致基因突變。HR則是一種精確的修復機制,它需要一個與切口處的DNA序列相匹配的模板,接著按照這個模板精確地修復切口。通過提供一個含有所需變更的DNA模板,科學家們就可以利用HR機制來進行精確的基因編輯。
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