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为基因编辑技术带来革命的剪刀环球科学【扬州】

发布时间:2019-07-17 11:56:53 阅读: 来源:堆积门厂家

为基因编辑技术带来革命的“剪刀”-环球科学

本文节选于《环球科学》

撰文?玛格丽特·诺克斯(Margaret Knox)?

翻译?马文静

1973年,斯坦利·N·科恩(Stanley N. Cohen)和赫伯特·W·博耶(Herbert W. Boyer)找到了改变生物体基因组的方法,成功将蛙的DNA插入到细菌中。20世纪70年代末,博耶的基因泰克(Genetech)公司对大肠杆菌进行基因改造,使其带有一个人源基因(这个基因是人工合成的),最后生产出治疗糖尿病的胰岛素。很快,加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的科学家培育出了第一只转基因小鼠。

基因工程领域取得的这些巨大成就改变了现代医学的进程。但是,早期的基因改造方法有两大局限:不甚精确,并且难以量产。那时,DNA插入基因组的行为是随机的,科学家只能祈求好运,但愿自己能得到一个有用的突变。1990年,研究人员取得了跨越式的进步。他们设计出能在特定位点对DNA进行剪切的蛋白,突破了第一个局限。但是,每想要修改一段DNA序列,他们都必须设计一个新的蛋白,这种工作非常耗时,并且十分艰苦。

时间终于到了2012年。瑞典于默奥大学(Ume? University)的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和加利福尼亚大学伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)领导的研究人员报道,他们在细胞中发现了一种遗传机制,能让科学家以前所未有的速度编辑基因组,并且过程十分简单。此后不久,哈佛大学和麻省理工大学的一个课题组运用这种技术,一次性地对细胞基因组的多个位点进行了修改。

这种技术名叫CRISPR,是“clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats”(即成簇、规律间隔的短回文重复序列)的缩写。利用这种序列,细菌可以对侵袭过它的病毒产生“记忆”。自从日本科学家20世纪80年代末发现CRISPR之后,科学家就一直在研究这种奇怪的基因序列。然而,直到杜德娜和卡彭蒂耶偶然注意到一种名叫Cas9的蛋白,CRISPR才显示出它作为基因组编辑工具的巨大潜力。

2011年,杜德娜和卡彭蒂耶在波多黎各圣胡安的一次科学会议上相识。他们有很多共同点:他们的团队都在研究细菌防御病毒入侵的机制;他们都已经确认,细菌可以记住以前入侵过自己的病毒的DNA,以此来识别病毒,当该病毒再次入侵时,它们就会立刻认出“敌人”。

那次会议后不久,卡彭蒂耶和杜德娜决定合作。当时,卡彭蒂耶在于默奥大学的实验室刚刚发现,链球菌似乎会用Cas9蛋白来“捣碎”突破其细胞壁的病毒。于是,杜德娜在伯克利的实验室,也开始探究Cas9蛋白的作用机理。

很多科学发现的背后都有一连串巧事,CRISPR的故事也不例外。卡彭蒂耶实验室的克日什托夫·黑林斯基(Krzysztof Chylinski)和杜德娜实验室的马丁·伊内克(Martin Jinek)在毗邻的城镇长大,说着同样的波兰方言。杜德娜说:“他们开始通过Skype聊天。两人一拍即合,然后就开始分享数据、讨论做实验的想法。这个项目就这样正式开始了。”

两个实验室的科学家都意识到,他们或许可以用Cas9蛋白来进行基因组编辑。基因组编辑是基因工程中的一种方法,酶是这一过程中的“分子剪刀”,可以剪切DNA。这种酶名叫核酸酶(nuclease),能在特定的位点切断双链DNA。DNA断裂后,细胞会对断裂位点进行修复。有时,细胞中一些人为导入的基因片段,会在修复的过程中插入这些位点。杜德娜和卡彭蒂耶刚开始合作的时候,科学家如果想改变或关闭一个基因,最先进的方法,是定制一种能找到特定DNA位点并对其进行切割的酶。换句话说,每修饰一次基因,科学家都不得不设计一种新的蛋白,专门针对想要修饰的DNA序列。

但杜德娜和卡彭蒂耶意识到,Cas9蛋白——这种链球菌用于免疫防卫的酶,会用RNA来引导自己找到目标DNA。为了探测作用位点,Cas9-RNA复合物会在DNA上不停“弹跳”,直到找到正确的位点。这一过程看似随机,其实不然。Cas9蛋白的每次弹跳,都是在搜索同一段短小的“信号”序列。Cas9会附着到DNA上,检测邻近的序列是否和充当向导的RNA匹配。这种RNA叫做向导RNA(guide RNA,简称gRNA),而只有当gRNA和DNA匹配时,Cas9蛋白才会对DNA进行切割。如果能将这套天然的RNA向导系统利用起来,研究人员在切割DNA位点时,就不用每次都构建一种新的酶了。基因组编辑可能会因此变得更简单、更便宜,也更有效。

这个横跨大西洋的团队一起对Cas9蛋白进行了几个月的研究,并且取得了突破。杜德娜还能清楚地记起那个时刻。他们的实验室坐落在伯克利校园边缘一个绿树成荫的山坡上,对面就是希腊剧院,彼时还在做博士后研究的伊内克一直那里在对Cas9蛋白进行实验。一天,他来杜德娜的办公室讨论实验结果。面对伊内克和黑林斯基一直在讨论的一个问题,他们陷入了沉思:在自然界中——也就是在链球菌体内,Cas9蛋白倚靠的不是一个,而是两个RNA,来引导自己寻找DNA上的正确位点。

如果在保留其向导功能的前提下,将两条gRNA整合成一条RNA链,结果会怎么样呢?如果只需修饰一个RNA序列,研究人员的工作速度将会得到极大的提升。gRNA序列与目标DNA序列之间存在精妙的互补关系,利用这种关系构建一条gRNA,比定制一个核酸酶更容易。

“看着这些数据,我们突然就开窍了——这种事情经常发生,”杜德娜说道,“我们意识到,其实可以将这些RNA分子设计成一条gRNA。一套由一个蛋白质和一条gRNA组成的系统,就足以成为一个强大的基因修饰工具。我打了个寒颤,心想,‘天哪,我要赶快跑到实验室去,如果这能成功的话……’”

他们真的成功了。结果超出了杜德娜的设想(尽管她本来就抱有很高的期待)。2012年8月17日,当杜德娜和卡彭蒂耶将他们对CRISPR-Cas9的研究成果公诸于众时,该领域的科学家立刻认识到这一技术的变革性力量,他们都想知道CRISPR-Cas9究竟能做什么,一场全球性竞赛由此拉开序幕。

CRISPR技术已经加快了基因工程产业的发展,对遗传学和医学也有深远的推动作用。科学家现在只要几周时间,就能按需定制出经过基因改造的实验动物,省去了从前一年的工作量与时间。目前,研究人员正在运用该技术,探索艾滋病、阿尔茨海默病、精神分裂症等疾病的治疗方法。该技术将生物体的基因修饰过程变得相当简单与廉价,研究人员和伦理学家甚至开始担心,这会催生负面效应。

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