CRISPR/CAS9基因编辑技术 定向改造基因成为现实
2014-02-19 MedSci MedSci原创
1月30日,《细胞》杂志网站报道,全球首对靶向基因编辑猴子已在中国出生(Cell:对基因组进行精确编辑猴已经在中国出生),科学家采用的是最新基因编辑技术CRISPR,可以对目标DNA进行插入、删除或重写,类似计算机编辑文字一样让科学家对物种的基因进行编辑,而且成功率一般可提高到30%,甚至50%。美国哈佛大学的George Church说,生物学家最近开发了一些新方法来精确操纵基因,“但CRI
1月30日,《细胞》杂志网站报道,全球首对靶向基因编辑猴子已在中国出生(Cell:对基因组进行精确编辑猴已经在中国出生),科学家采用的是最新基因编辑技术CRISPR,可以对目标DNA进行插入、删除或重写,类似计算机编辑文字一样让科学家对物种的基因进行编辑,而且成功率一般可提高到30%,甚至50%。美国哈佛大学的George Church说,生物学家最近开发了一些新方法来精确操纵基因,“但CRISPR的功效和易用性在各方面都更胜一筹”。
以往尝试对灵长类动物进行遗传修饰都依赖于病毒方法,其虽然能够有效地生成突变,但突变位点不可预知,且突变数量无法控制。中外科学家此前都曾用导入外源基因的方法,创造过转基因猴,但这并非对猴子自身基因的精确编辑。同时,还能治疗某些疾病(Cell Stem Cell:中科院用CRISPR技术治愈小鼠白内障)
而这次中国科学家的研究证明,不仅可以利用CRISPR技术高效、精确地编辑灵长类基因,还能培育出个体。
美国哈佛大学的George Church说,生物学家最近开发了一些新方法来精确操纵基因,“但CRISPR的功效和易用性在各方面都更胜一筹”。麻省理工学院合成生物学家张峰(Feng Zhang)是CRISPR技术领域的先锋人物,他表示:“这是重要的一步,它证实了这一系统正在起作用。”
CRISPR技术原理
Whitehead生物医学研究所的干细胞研究员Rudolf Jaenisch是20世纪70年代率先构建第一只转基因小鼠之人。Jaenisch认为这一研究结果是一个有趣的证明,但却没有提供多少科学认知。“下一步是看看我们能从中了解到什么东西。”
猴子基因组编辑的成功,其最大的意义在于,提示这种技术可用于人类。CRISPR技术已经用于体外人类细胞的基因编辑,但没有用在人类胚胎上,更没有培育出个体。科学家相信这一技术可以用于人类,但考虑到安全性因素,距离人体应用仍有很长的路要走。
当病毒攻击细菌时,细菌会作出以DNA为目标的防御反应,生物学家利用此机理研发基因工程技术
{nextpage}CRISPR:蹒跚起步,渐成新宠
这种新基因工程工具于1987年被首次报道,一个研究团队在某细菌基因的一端观察到奇怪的重复序列。这一现象当时并未引起太多人的注意。十年后,破译微生物基因组的生物学家经常发现类似令人费解的模式(一个DNA序列紧跟着几乎完全相同但以相反方向构造的序列)。这一模式出现在超过40%的细菌和90%的古生菌中(Nature:细菌利用CRISPR/Cas系统躲避宿主免疫系统)。
马里兰州贝塞斯达市美国国家生物技术信息中心的Eugene Koonin等则提出,细菌和古生菌占据了噬菌体DNA,之后将其作为RNA分子(能阻止外来DNA的匹配)的一个模板保存起来,就像真核细胞利用一个被称作核糖核酸干扰(RNAi)的系统摧毁RNA一样。
2007年,丹尼斯克公司(一家总部位于丹麦哥本哈根的食品添加剂公司,目前被杜邦公司收购)的科学家Rodolphe Barrangou、Philippe Horvath等找到了一种能增强细菌防御噬菌体能力的方法。他们能通过添加或删除和噬菌体DNA相匹配的间隔区DNA,改变嗜热链球菌对噬菌体攻击的抵抗力,使公司能够为食品生产培育更强壮的菌株。一些基本的原理也被揭示出来:细菌具备一种有高度适应性的免疫系统,使得它们能击退来自某种噬菌体的多次进攻。在那时,Barrangou(目前就职于美国罗利市北卡罗来纳州立大学)并未充分发挥Crispr的全部潜能。他说:“我们还不清楚这些元素能否像引人注目的基因编辑技术那样,成为随时可利用的技术。”
Doudna与目前 任职于德国亥姆霍兹感染研究中心和汉诺威医学院的Emmanuelle Charpentier开展了下一个步骤。他们独立梳理了各种和CRISPR相关的蛋白质所发挥的作用,研究间隔区DNA如何在细菌的免疫防御中发挥作用。他们很快转而研究依赖DNA切割酶Cas9的Crispr系统,因为它比其他Crispr系统更简单。遭遇噬菌体入侵时,CRISPR会作出反应,此时细菌把间隔区DNA和DNA回文序列转录成一串长的RNA分子。
张峰等人的论文几乎和Church的同时出现,他们发现CRISPR能立刻锁定和切割人体细胞中的两个基因。在和马萨诸塞州怀海德生物医学研究所发育生物学家Rudolf Jaenisch的合作中,Zhang分裂了小鼠胚胎干细胞中的5个基因(Nat Biotech:新方法可消除CRISPR-Cas的脱靶效应,实现完美基因编辑)(Nature 2013十大科学人物:CRISPR研究先锋张峰博士)。
这些工作为培育变异老鼠打下了基础,这是生物医学研究的一个关键工具。一个方法是,将突变鼠的胚胎干细胞植入一个正在生长的胚胎中,这能简单地将Cas9信使RNA和两个向导RNAs注入老鼠的卵子或受精卵中。基于CRISPR,科学家构建人类疾病小鼠模型的速度要比之前快得多,能立刻容易地改变细胞中的多个基因,以便研究它们的相互作用。根据Zhang的CRISPR技术,一个新的小鼠模型即将在几周内投入测试。Zhang认为,这种方法并不局限于老鼠。只要你能操纵胚胎并重新植入胚胎,你将可以在更大型的动物(甚至灵长类动物)上开展该研究。
一系列的研究报告造成了协同效应,为生物界赢得了广泛的关注。去年初,北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学生物医学工程师Charles Gersbach说:“如果只是一份报告发表的话,仅会获得一些关注。但是当有几份报告同时发表时,这便意味着它是大势所趋。”
突然之间,不仅是食品科学家和微生物学家,很多领域都意识到CRISPR的重要性,在接下来的几个月中,许多科研团队利用它来删除、添加、激活或抑制人体、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和农作物细胞中的目标基因,从而证明了这个技术的广泛适用性。
CRISPR的使用 成本很低:免费的软件使得设计向导RNA(用于针对特定的基因)的成本为零,另外只需花费65美元便可以从名为Addgene的基因资源库中获取基因,来设计自己的CRISPR系统。自去年开始,Addgene(共有11个科研小组为它提供了可用于CRISPR系统的DNA序列)已经见证了5000种CRISPR构造的产生。去年7月,Addgene在一周内就收到了(为了设计一种新构造的)100份订单,Addgene的执行董事Joanne Kamens说:“Addgene正在热卖中。”
技术介绍:
CRISPR/Cas9介导的基因组定点编辑技术
基因组编辑三大利器 ——ZFN、TALEN和CRISPR/Cas
Science:基因组水平CRISPR-Cas9基因敲除文库构建成功,可定向敲除18000余个基因
作者:MedSci
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