基因组编辑
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基因组编辑（英语：genome editing）又称基因组工程、基因编辑，是基因工程的一种，指在活体基因组中进行DNA插入、删除、修改或替换的一项技术。基因组编辑与早期的基因工程技术不同处是在：后者在宿主的基因组中进行随机插入基因物质，而前者则是在特定位置插入基因片段。透过可编程核酸酶进行基因操作所涉及的基本机制，是由限制酶内切核酸酶（FokI 和 Cas）识别目标基因组位点并结合效应DNA结合域（DBD）、目标DNA中的双股DNA断裂（DSB），并透过同源定向重组（HDR）或非同源性末端接合（NHEJ）修复双股DNA断裂。[1][2]
历史
[编辑]基因组编辑技术始于1990年代[3]，早于目前常见的基于核酸酶的基因编辑平台的出现，但由于编辑效率低下，其应用受到限制。利用工程核酸酶进行基因组编辑，通过三类的人工核酸酶—— 包括锌指核酸酶（ZFNs）、类转录活化因子核酸酶（TALEN）[4]和 CRISPR-Cas9 ——进行基因编辑的技术被Nature Methods选为2011年年度技术[5] 。其中，CRISPR-Cas9技术也被Science选为2015年度重要技术突破[6]。
至2015年，除以上三类酶以外，归巢核酸内切酶（meganucleases）也成为基因编辑技术所使用的酶之一。到2017年，已有九类酶可用于基因编辑技术。
基因编辑中使用的核酸酶通过选择性切断DNA上的特异性位点产生双股DNA断裂（DSBs），随后经由非同源性末端接合（NHEJ）或同源重组（HR）修复断裂，在此过程中引入碱基改变。
2019年3月，中国科学家贺建奎声称其通过 CRISPR-Cas9 技术实现了对两名婴儿的 CCR5基因编辑从而使其获得了艾滋病的天生抗性。此做法引起了相关学界的巨大震动和对其的指责，也警示了人们基因编辑技术可能具有的伦理问题，最终贺建奎被中国法院以非法行医罪被判有期徒刑三年，并处罚金人民币三百万元。
2020年2月，一项美国试验安全地显示了 CRISPR基因编辑对3位癌症患者的作用。
背景
[编辑]从1970年开始有了用基因工程作为将新的遗传成分引入生物的方法。 该技术的一个缺点是DNA插入宿主基因组时是随机的，这会损害或改变生物体内的其他基因，因此需要寻找将插入的基因精确地靶向生物基因组内特定位点的方法。 除了减少脱靶效应外，它还可以编辑基因组中的特定序列。 通过将突变靶向特定基因，可以将其用于研究和基因治疗。 通过将一种功能基因插入生物体并靶向其以替代有缺陷的基因，有望治愈某些遗传疾病。
基因靶向
[编辑]同源重组
[编辑]早期将基因靶向到生物体基因组内特定位点的方法（称为基因靶向）依赖于同源重组（HR）。[7]透过制造含有与目标基因组序列相匹配模板的DNA结构体，细胞内的HR过程就有可能将结构体置于所需位置。在胚胎干细胞上使用此方法，可发展出目标基因被敲除的转基因小鼠。也可以敲入基因或改变基因表达模式。[8]马里奥·卡佩奇（Mario Capecchi）、马丁·埃文斯（Martin Evans）、和奥利弗·史密斯（Oliver Smithies）获得2007年诺贝尔生理学或医学奖，以表扬他们发现如何利用同源重组，透过胚胎干细胞在小鼠身上进行基因改造。[9]
条件靶向
[编辑]如果一个重要的基因被敲除，它可能会被证明对生物是致命的。为了研究这些基因的功能，我们使用了位点特异性重组酶 (SSR)。最常见的两种是Cre-Lox重组和Flp-FRT系统。Cre重组酶是一种透过称为Lox-P位点的结合序列之间的同源重组来移除DNA的酶。Flip-FRT系统以类似的方式运作，Flip重组酶可辨识FRT序列。将含有重组酶位点的生物与在组织特异性启动子控制下表达SSR的生物进行杂交，就有可能敲除或开启某些细胞中的基因。这些技术也被用来移除转基因动物的标记基因。进一步修改这些系统，研究人员可以只在特定条件下诱导基因重组，允许基因在所需时间或发育阶段被敲除或表达。[8]
应用
[编辑]截至2012年，高效的基因组编辑技术已经被开发出来，适用于从植物到动物的多种实验系统，通常已超越临床的兴趣范围，逐渐成为研究实验室的标准实验策略。[10]最近产生的大鼠、斑马鱼、玉米和烟草ZFN介导的突变体，以及基于TALEN方法的改进，都证明了这些方法的重要性，而且这个名单还在迅速扩大。使用工程化核酸酶进行基因组编辑很可能会对生命科学的许多领域有所贡献，从研究植物和动物的基因功能到人类的基因治疗。举例来说，合成生物学领域的目标是改造细胞和生物体以执行新奇的功能，而工程化核酸酶能够增加或移除基因组元素，因而创造出复杂的系统，这将可能使合成生物学领域受惠。[10]此外，基因功能也可以利用具有工程核酸酶的干细胞来研究。
风险、局限和争议
[编辑]2018年11月，中国双胞胎女孩露露和娜娜诞生，这是世界上第一批经过基因编辑的婴儿。她们的部分基因被编辑以抵御HIV，此事件所涉及的伦理问题在学界和社会引起了巨大争议[11][12][13]。2019年12月30日，此事件主谋贺建奎在深圳市南山区人民法院一审公开宣判。贺建奎以非法行医罪被判有期徒刑三年，并处罚金人民币三百万元[14]。
诺贝尔奖
[编辑]2007年，诺贝尔生理学或医学奖授予马里奥·卡佩奇、马丁·埃文斯和奥利弗·史密斯，“以表彰他们发现了利用胚胎干细胞在小鼠体内引入特定基因修饰的原理”。 [9]
2020年，诺贝尔化学奖授予埃玛纽埃勒·沙尔庞捷（法语：Emmanuelle Marie Charpentier）和珍妮弗·道德纳（英语：Jennifer Anne Doudna），以表彰她们“开发了一种基因组编辑方法”。 [15]
参见
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Saurabh S. Genome Editing: Revolutionizing the Crop Improvement. Plant Molecular Biology Reporte. March 2021, 39 (4): 752–772. S2CID 233713026. doi:10.1007/s11105-021-01286-7.
- ^ Bak, Rasmus O.; Gomez-Ospina, Natalia; Porteus, Matthew H. Gene Editing on Center Stage. Trends in Genetics. August 2018, 34 (8): 600–611. ISSN 0168-9525. PMID 29908711. S2CID 49269023. doi:10.1016/j.tig.2018.05.004.
- ^ Woolf TM. Therapeutic repair of mutated nucleic acid sequences. Nature Biotechnology. April 1998, 16 (4): 341–4. PMID 9555723. S2CID 9210810. doi:10.1038/nbt0498-341.
- ^ 存档副本. [2022-11-27]. （原始内容存档于2022-11-27）.
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- ^ Science News Staff. Breakthrough of the Year: CRISPR makes the cut. 17 December 2015 [2020-05-09]. （原始内容存档于2017-07-29）.
- ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J. Chapter 8.5: Gene Replacement and Transgenic Animals: DNA Is Transferred into Eukaryotic Cells in Various Ways. Molecular Cell Biology
4th. W. H. Freeman and Company. 2000. ISBN 978-0-7167-3136-8.
- ^ 8.0 8.1 Rocha-Martins M, Cavalheiro GR, Matos-Rodrigues GE, Martins RA. From Gene Targeting to Genome Editing: Transgenic animals applications and beyond. Anais da Academia Brasileira de Ciências. August 2015, 87 (2 Suppl): 1323–48. PMID 26397828. doi:10.1590/0001-3765201520140710 .
- ^ 9.0 9.1 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2007. The Nobel Foundation. [December 15, 2008].
- ^ 10.0 10.1 McMahon MA, Rahdar M, Porteus M. Gene editing: not just for translation anymore. Nature Methods. December 2011, 9 (1): 28–31. PMID 22205513. S2CID 2144013. doi:10.1038/nmeth.1811.
- ^ 122位科学家联合声明：强烈谴责“基因编辑婴儿”. 新浪新闻. [2018-11-26]. （原始内容存档于2018-11-26）.
- ^ Regalado, Antonio. Exclusive: Chinese scientists are creating CRISPR babies - A daring effort is under way to create the first children whose DNA has been tailored using gene editing.. MIT Technology Review. 25 November 2018 [26 November 2018]. （原始内容存档于2018-11-27）.
- ^ chinanews. 世界首例免疫艾滋病的基因编辑婴儿在中国诞生(图)-中新网. [2018-11-28]. （原始内容存档于2019-06-11）.
- ^ “基因编辑婴儿”案一审宣判 贺建奎等三被告人被追究刑事责任. [2019-12-30]. （原始内容存档于2019-12-30）.
- ^ The Nobel Prize in Chemistry 2020. Nobel Foundation. [7 October 2020]. （原始内容存档于7 October 2020）.
