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        基因編輯技術(shù)領(lǐng)域的研究與發(fā)展

        2019-06-11 03:10:30高孟晉
        吉林農(nóng)業(yè) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:基因編輯基因功能

        摘要:本文主要闡述了基因編輯技術(shù)的發(fā)展,并從基因編輯系統(tǒng)機制研究與發(fā)展、動植物模型構(gòu)建、基因治療、交流平臺四個方面對我國在基因編輯領(lǐng)域的成果進(jìn)行了分析,旨在為了解基因編輯技術(shù)的發(fā)展歷程及利用該技術(shù)進(jìn)行深入研究提供理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:基因編輯;遺傳工程;基因功能

        中圖分類號: Q78;Q819 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼: ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號: ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.063

        隨著人類基因組計劃的完成和高通量測序技術(shù)的發(fā)展,人們讀取大量序列信息的能力得到飛速提升?!白x”取能力的提高進(jìn)一步激發(fā)了人們改寫生物體內(nèi)遺傳序列信息的需求,而近年來發(fā)展迅速的基因編輯技術(shù)則大幅提高了這種“寫”的能力。這種特殊的生物技術(shù)能夠讓研究者對基因組序列或者基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行人為編輯,以改變目的基因或調(diào)控元件的序列、表達(dá)量或功能。這一革命性技術(shù)一經(jīng)問世就沖擊到生命科學(xué)的各個研究領(lǐng)域,必將在未來相當(dāng)長時間內(nèi)對人類健康、疾病治療、新藥研發(fā)、物種改良以及生命科學(xué)基礎(chǔ)研究等眾多方面產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響,也是世界范圍內(nèi)競爭最為激烈的下一代核心生物技術(shù)。

        1 基因編輯技術(shù)的發(fā)展

        基因編輯技術(shù)是一種能夠?qū)ι矬w的基因組及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行定點修飾或者修改的技術(shù),早期基因編輯技術(shù)包括歸巢內(nèi)切酶、鋅指核酸內(nèi)切酶和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物。近年來,以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為代表的新型技術(shù),使基因編輯的研究和應(yīng)用領(lǐng)域得以迅速拓展。

        早期基因編輯技術(shù)包括歸巢內(nèi)切酶、鋅指核酸內(nèi)切酶和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物,但脫靶效應(yīng)或組裝復(fù)雜性限制了這些技術(shù)在基因編輯領(lǐng)域中的應(yīng)用。近年來,以CRISPR/Cas9 系統(tǒng)為代表的新型基因編輯技術(shù)飛速發(fā)展,并開始在諸多生物學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

        早期的基因編輯技術(shù)依賴于細(xì)胞內(nèi)同源重組途徑將外源 DNA 序列插入基因組。通過在外源DNA 序列兩端加入同源臂,能夠?qū)崿F(xiàn)外源序列的精確整合。然而,真核生物中同源重組發(fā)生頻率極低,約為1/106~1/109;并且相對于靶位點而言,外源序列更容易隨機整合到基因組上其他位點,造成脫靶效應(yīng),從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

        2 我國在基因編輯領(lǐng)域的研究進(jìn)展

        2.1 基因編輯系統(tǒng)機制研究與發(fā)展

        中國科學(xué)院生物物理所王艷麗研究組和哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃志偉研究組對Cpf1-cr RNA 復(fù)合物、Spy Cas-sg RNA-Acrll A4 復(fù)合物、Cas1-Cas2-DNA 復(fù)合物、Cas13a 蛋白、Cas13a-cr RNA 復(fù)合物以及CRISPR 系統(tǒng)Cascade 復(fù)合物等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析及機制分析,為理解基因編輯工作原理及其調(diào)控機制提供了重要依據(jù)。中國科學(xué)院健康科學(xué)研究所常興研究組利用靶向性胞嘧啶脫氨酶在體內(nèi)實現(xiàn)了高效、高通量DNA堿基編輯新方法;上??萍即髮W(xué)陳佳研究組發(fā)展了一系列基于 CRISPR/

        Cpf1 的新型堿基編輯器(Cpf1- BE)。北京大學(xué)魏文勝研究組建立了基于CRISPR系統(tǒng)的高通量篩選方法,并在全基因組范圍內(nèi)實現(xiàn)了對編碼基因和非編碼基因的功能性篩選。

        2.2 動植物模型構(gòu)建

        2013年,中國科學(xué)院動物研究所周琪研究組首次利用 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)實現(xiàn)了大鼠多基因快速同時敲除,并建立了多種基因編輯動物模型。近期,中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學(xué)研究組利用CRISPR技術(shù)成功構(gòu)建了亨廷頓病疾病豬模型。

        在遺傳信息與生理特性上,食蟹猴、獼猴等靈長類動物與人類具有更高的相似性,是作為人類疾病研究的理想模型。2016年,中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院項鵬、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院楊世華和中國科學(xué)院動物研究所周琪研究組在食蟹猴中應(yīng)用 TALEN 技術(shù)實現(xiàn)了MCPH1 基因(最早被鑒定出來的小頭癥相關(guān)基因)突變,成功獲得了人類頭小畸形癥的疾病模型猴。昆明理工大學(xué)季維智等利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了多種靈長類動物疾病模型,如利用TALEN 技術(shù)構(gòu)建了瑞特綜合征食蟹猴模型,該成果入選了“2017 年中國生命科學(xué)十大進(jìn)展”。2018 年初,《Cell Research》 雜志連續(xù)發(fā)表兩篇分別來自中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所楊輝和季維智等研究組的論文,報道了世界首例表達(dá)熒光蛋白基因敲入的食蟹猴。

        在植物基因編輯方面,中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞、中國科學(xué)院上海植物逆境生物學(xué)研究中心朱健康和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光等研究組分別利用CRISPR-Cas9 系統(tǒng)在擬南芥、水稻、小麥、玉米等多種植物中成功實現(xiàn)了基因編輯,為植物基因研究及農(nóng)作物遺傳改良提供了平臺。

        2.3 基因治療

        2016年,《Nature》雜志報道了中國率先開展的世界首個人類CRISPR 臨床試驗。研究者計劃將PD-1敲除的T細(xì)胞注射到化療、放療和其他治療均無效的轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌患者體內(nèi),以促進(jìn)機體針對癌細(xì)胞的免疫反應(yīng)。中山大學(xué)黃軍就研究組首次在不能存活的人類三核受精卵中應(yīng)用CRISPR/ Cas9 技術(shù)對β-地中海貧血癥的致病基因進(jìn)行了基因編輯。由于涉及人類胚胎編輯,這項研究在世界范圍內(nèi)引起了廣泛討論,使科學(xué)界和全社會對其應(yīng)用前景和可能涉及的倫理風(fēng)險產(chǎn)生了關(guān)注。

        2.4 交流平臺

        2017年9 月,我國首個基因組編輯學(xué)術(shù)團體——中國遺傳學(xué)會基因組編輯分會在北京成立,中國遺傳學(xué)會名譽理事長李家洋擔(dān)任大會主席,該學(xué)會的成立為從事基因編輯研究的學(xué)者提供了良好的學(xué)術(shù)交流平臺。2018年4月,第一屆基因編輯技術(shù)方向的冷泉港國際會議:“冷泉港亞洲會議—基因組編輯全面討論”于蘇州召開,來自世界各地的科學(xué)家就基因編輯的最新研究進(jìn)展開展了廣泛而深入的討論。

        3 結(jié)語

        隨著研究者的不斷深入探索,基因編輯技術(shù)正在逐步發(fā)展成熟,具有極大的研究潛力和廣闊的應(yīng)用前景。相信在不久的將來,基因編輯技術(shù)會在人類生產(chǎn)和臨床疾病治療中發(fā)揮其不可替代的價值。

        參考文獻(xiàn)

        [1]夏天,林仙花,胡雪峰.基因編輯技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].生物學(xué)教學(xué),2016,(11).

        [2]李想,崔文濤,李奎.基因編輯技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].中國畜牧獸醫(yī),2017,(08).

        [3]胡小丹,游敏,羅文新.基因編輯技術(shù)[J].中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報,2018,(03).

        作者簡介:高孟晉,在讀本科生,研究方向:生物技術(shù)。

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