“基因敲除狗”是怎么造出来的?

日期: 2015年10月27日


    

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。


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(绘图 肖媛)


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(绘图 肖媛)


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等著名杂志所报道。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著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.


本文转载自科普中国,赛业生物特别分享。

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