基因编辑技术领域的研究与发展

2019-06-11 03:06:30 吉林农业 2019年6期

摘要:本文主要阐述了基因编辑技术的发展,并从基因编辑系统机制研究与发展、动?#21442;?#27169;型构建、基因治疗、交流平台四个方面对我国在基因编辑领域的成果进行了?#27835;觶?#26088;在为了解基因编辑技术的发展历程及利用该技术进行深入研究提供理论依据。

关键词:基因编辑;遗传工程;基因功能

?#22411;?#20998;类号: Q78;Q819 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码: ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI编号: ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.063

随着人类基因组计划的完成和高通量测序技术的发展,人们读取大量序?#34892;?#24687;的能力得到飞速提升。“读”取能力的提高进一步激发了人们改写生物体内遗传序?#34892;?#24687;的需求,而近年来发展迅速的基因编辑技术则大幅提高了这种“写”的能力。这种特殊的生物技术能够让研究者对基因组序列或者基因转录产物进行人为编辑,以改变目的基因或调控元件的序?#23567;?#34920;达量或功能。这一革命性技术一经问世?#32479;?#20987;到生命科学的各个研究领域,必将在未来相当长时间内对人类健康、疾病治疗、新药研发、物种改?#23478;?#21450;生命科学基础研究等众多方面产生广泛而深远的影响,也是世界范围内竞争最为激烈的下一代核心生物技术。

1 基因编辑技术的发展

基因编辑技术是一种能够对生物体的基因组及其转录产物进行定点修饰或者修改的技术,早期基因编辑技术包括归巢内切酶、锌指核酸内切酶和类转?#25216;?#27963;因子效应物。近年来,以CRISPR/Cas9系统为代表的新型技术,使基因编辑的研究和应用领域得以迅速拓展。

早期基因编辑技术包括归巢内切酶、锌指核酸内切酶和类转?#25216;?#27963;因子效应物,但脱?#34892;?#24212;或组装复杂性限制了这些技术在基因编辑领域中的应用。近年来,以CRISPR/Cas9 系统为代表的新型基因编辑技术飞速发展,并开始在诸多生物学领域中得到广泛应用。

早期的基因编辑技术依赖于细胞内同源重组途径将外源 DNA 序列插入基因组。通过在外源DNA 序列两端加入同源臂,能够实现外源序列的精确整合。然而,真核生物?#22411;?#28304;重组发生频?#22987;?#20302;,约为1/106~1/109;并且相对于靶位点而言,外源序列更容易随机整?#31995;?#22522;因组上其他位点,造成脱?#34892;?#24212;,从而限制了该技术的应用。

2 我国在基因编辑领域的研究进展

2.1 基因编辑系统机制研究与发展

中国科学院生物物理所王艳丽研究组和哈尔滨工业大学黄志伟研究组对Cpf1-cr RNA 复合物、Spy Cas-sg RNA-Acrll A4 复合物、Cas1-Cas2-DNA 复合物、Cas13a 蛋白、Cas13a-cr RNA 复合物以及CRISPR 系统Cascade 复合物等进行了结构解析及机制?#27835;觶?#20026;理解基因编辑工作原理及其调控机制提供了重要依据。中国科学?#33322;?#24247;科学研究所常兴研究组利用靶向性胞嘧啶脱氨酶在体内实现了高效、高通量DNA碱基编辑新方法;上海科技大学?#24405;?#30740;究组发展了一系列基于 CRISPR/

Cpf1 的新型碱基编辑器(Cpf1- BE)。?#26412;?#22823;学魏文胜研究组建立了基于CRISPR系统的高通量筛选方法,并在全基因组范围内实现了对编码基因和非编码基因的功能性筛选。

2.2 动?#21442;?#27169;型构建

2013年,中国科学院动物研究所周琪研究组首次利用 CRISPR/Cas9 系统实现了大鼠多基因快速同时敲除,并建立了多种基因编辑动物模型。近期,中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学研究组利用CRISPR技术成功构建了亨廷顿病疾病猪模型。

在遗传信息与生理特性上,食?#27867;鎩?#29461;猴等灵长类动物与人类具有更高的相似性,是作为人类疾病研究的理想模型。2016年,中山大学中山医学?#21512;?#40527;、华南农业大学兽医学院杨世华和中国科学院动物研究所周琪研究组在食?#27867;?#20013;应用 TALEN 技术实现了MCPH1 基因(最早被鉴定出来的小?#20998;?#30456;关基因)突变,成功获得了人类头小畸形症的疾病模型猴。昆明理工大學季维智等利用基因编辑技术构建了多种灵长类动物疾病模型,如利用TALEN 技术构建了瑞特综合征食?#27867;?#27169;型,该成果入选了“2017 年中国生命科学十大进展”。2018 年初,《Cell Research》 杂志连续发表两篇分别来自中国科学院神经科学研究所杨?#38498;图?#32500;智等研究组的论文,报道了世界首例表达荧光蛋白基因敲入的食?#27867;鎩?/p>

在?#21442;?#22522;因编辑方面,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞、中国科学院上海?#21442;?#36870;?#25104;?#29289;学研究?#34892;?#26417;健康和华南农业大学刘耀光等研究组分别利用CRISPR-Cas9 系统在拟南芥、水稻、小麦、玉米等多种?#21442;?#20013;成功实现了基因编辑,为?#21442;?#22522;因研究及农作物遗传改良提供了平台。

2.3 基因治疗

2016年,《Nature》杂志报道了中国率先开展的世界首个人类CRISPR 临床试验。研究者计划将PD-1敲除的T细胞注射?#20132;?#30103;、放疗和其他治疗均无效的转移性非小细胞?#20255;?#24739;者体内,以促进机体针对癌细胞的免疫?#20174;Α?#20013;山大学黄军就研究组首次在不能存活的人类三核受精卵中应用CRISPR/ Cas9 技术对β-地中海贫血症的致病基因进行了基因编辑。由于涉及人类胚胎编辑,这项研究在世界范围内引起了广泛讨论,使科学界和全社会对其应用前景和可能涉及的伦理风险产生了关注。

2.4 交流平台

2017年9 月,我国首个基因组编辑学术团体——中国遗传学会基因组编辑分会在?#26412;?#25104;立,中国遗传学会名誉理事长李家洋担任大会主席,该学会的成立为从事基因编辑研究的学者提供了良好的学术交流平台。2018年4月,第一届基因编辑技术方向的冷泉港国际会议:“冷泉港亚洲会议—基因组编辑全面讨论”于苏州召开,来自世界各地的科学家就基因编辑的最新研究进展开展了广泛而深入的讨论。

3 结语

随着研究者的不断深入探索,基因编辑技术正在逐步发展成熟,具有极大的研究潜力和广阔的应用前景。相信在不久的将来,基因编辑技术会在人类生产和临?#24067;?#30149;治疗中发挥其不?#21830;?#20195;的价值。

参考文献

[1]夏天,林仙花,胡雪峰.基因编辑技术及其应用研究进展[J].生物学教学,2016,(11).

[2]李想,崔文涛,李奎.基因编辑技术及其应用的研究进展[J].中国畜牧兽医,2017,(08).

[3]胡小丹,游敏,罗文新.基因编辑技术[J].中国生物化学与分子生物学报,2018,(03).

作者简介:高孟晋,在读?#31350;?#29983;,研究方向:生物技术。

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