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新的基因编辑技术还有多远?

来源:咸宁新闻网 时间:2017-08-16 10:17

  身陷学术争论一年的韩春雨团队撤回了论文,却没能平息关于基因编辑技术的争议,而就在同一天传出了美国国内首次进行人类胚胎基因编辑并取得成功的消息。可见,科学家们探寻新的基因编辑技术的脚步不会停止。那么,基因编辑究竟是怎么回事?将会给人类带来怎样的变化?

  横空出世的DNA剪刀

  展现“惊人实力”

  自从科学家发现生命的遗传密码主要存在于DNA双螺旋结构以来,人类就开始了基因编辑技术的幻想。“人们想要通过基因编辑技术来改写DNA这本‘生命的无字天书’,就像用电脑编辑一篇word文件,可以利用鼠标和键盘等手段进行编辑。”中国科学院动物研究所研究员李伟博士说。

  然而长期以来,科学家们只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式对DNA进行编辑,但这些方法都不够方便和精确。直到2012年,一种名为“CRISPR/Cas9”的DNA剪切技术横空出世,让科学家们看到了希望。与以前效率低下的DNA编辑方法相比,新工具就像一个DNA剪刀手,剪开特定RNA序列指向的地方,开启细胞DNA的修复过程。由于Cas9系统优异的指向性和特定性,一问世就获得了科学家们的青睐。

  科学家们认为,CRISPR可能是自20世纪70年代生物技术时代开启以来出现的最重要的基因工程技术。CRISPR系统具有搜索和替换DNA的双重功能,可以让科学家们通过替换碱基,轻松改变DNA的功能。在过去的研究中,科学家们已经证实,利用CRISPR可以治疗小鼠的肌肉萎缩、罕见肝脏疾病,使人类细胞免疫HIV等惊人的功能。

  2015年7月,一个韩国科学小组利用CRISPR RNA引导的工程核酸酶修复了两个频发的大的染色体倒位——它们导致了近一半的重症血友病A病例。这是第一次证实可以用可编程核酸酶纠正患者染色体倒位和其他大型的染色体重排。

  复旦大学生命科学学院遗传工程国家重点实验室的研究人员,也通过CRISPR/Cas9技术进行特定基因敲除,快速、高效地构建了血友病乙模型小鼠,以期为血友病乙的研究提供更加便捷的途径。甚至还有研究者用CRISPR成功治疗了患有遗传性肝病和肌营养不良的动物。

  为何韩春雨论文曾被寄予厚望

  目前CRISPR/Cas9已广泛地应用于生物领域的各个方面。然而,这个系统自身也存在一些缺陷,比如进入细胞后,有可能在非目标位点进行酶切,从而导致脱靶,可能会引发癌症而非治愈癌症。

  科学家们一直在研究新的工具来实现突破。这也是去年5月韩春雨团队的那篇论文一发表就被媒体称为“诺奖级”成果的重要原因之一。对此,北京市科协信息中心主办的微信公众号“蝌蚪五线谱”发表文章进行了解释:韩春雨团队论文中声称发现了一种全新的基因编辑工具——NgAgo-gDNA技术,并表示已使用该技术在哺乳动物细胞基因组上的47个位点进行了100%的基因编辑,效率为21.3%—41.3%。“这么高的技术效率完全可以媲美目前世界各个实验室最为流行的基因编辑工具CRISPR-Cas9了。”

  “蝌蚪君”说,从原理上来说,早期的DNA编辑技术是通过蛋白质来寻找需要替换的序列,而Cas9则是通过RNA来寻找替换的序列,由于比操作蛋白质简单得多,Cas9技术得以迅速被广泛使用。但是Cas9需要与基因组上19个碱基配对,并要求在这组碱基后紧邻一个特定的三碱基序列(PAM序列),所以这在一定程度上限制了靶位点的选择范围。

  而根据韩春雨团队的研究成果,NgAgo-gDNA技术中靶位点的选择则不受特定碱基序列的限制,编辑对象所受限制更小,几乎能编辑基因组内任何位置。另外,与NgAgo结合的gDNA长度为24个碱基,这比与Cas9结合的19个碱基的gRNA要长5个碱基,所以理论上NgAgo要比Cas-9的精确性高出1024倍(4的5次方)。

  “通俗地说,基因编辑相当于在一本书中的某个位置找到一个单词将它替换成另一个,并且要保证书中其它地方的单词不被替换。如果替换的是to、the这样简单的单词,那么可能从书中找到多个地方,而找pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosi(肺尘病)这样的单词则不太可能找错。从这个角度来说,NgAgo-gDNA技术如果是真的,就比CRISPR/Cas9更厉害一些。”蝌蚪君说。可惜,这惊喜太短暂了。

  寻找新的基因编辑技术,科学家们还在努力

  虽然有关中国学者编辑人类胚胎细胞基因的议论一直没有停止,这一领域的科学家队伍仍有发展壮大之势。这两天又一重磅消息引发世界关注:美国俄勒冈卫生科学大学研究人员用CRISPR基因编辑技术,成功修复了人类早期胚胎中一种与遗传性心脏病相关的基因突变。这是美国国内首次进行人类胚胎基因编辑。

  “虽然目前看来挑战CRISPR/Cas9等现有基因编辑技术的希望渺茫,但是寻找新的基因编辑技术仍然是科学家们努力的一个重要方向。”8月3日,国家动物基因研究中心汤波通过其科学网博客发表文章《韩春雨论文被撤,新的基因编辑技术还会出现吗》。他表示相信“新的基因编辑技术仍将出现”。

  文中还介绍了近年基因编辑技术的进展。2016年9月15日,来自中国南京大学的研究人员在国际知名期刊《基因组生物学》上报道了一个基于结构引导的核酸内切酶的基因编辑新技术,其最大的特点就是可以实现体内外DNA任意序列的靶向和切割,不过这一研究成果在学术界并没有引起像NgAgo-gDNA技术那样的应用热潮,其实际应用效果还有待进一步观察。

  当然,要找到全新的基因编辑工具绝非易事,所以很多科学家致力于对现有技术进行改进,力图使其更便宜、更高效、操作更简便。

  2015年底,CRISPR/Cas9技术先驱之一的华裔科学家张峰博士在《细胞》杂志上宣布其找到了一个新的内切酶,可以替代Cas9,因为与Cas9相比,该内切酶只需要一个RNA分子,分子量小更易于进入细胞,基因编辑效果更好,与Cas9剪切位置不同能提供更多的选项。2016年5月和12月,张峰团队又在《细胞》和《自然生物技术》上连续发表两篇文章,分别介绍这个新内切酶的晶体结构,以及同时编辑多个基因的威力。另一个开发出CRISPR/Cas9技术的功勋科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)博士团队4月也在《自然》杂志上发表论文,揭示了该内切酶除对DNA起作用外,还能对CRISPR RNA进行修饰,这正是该基因编辑新系统能轻松实现多基因编辑的重要原因。

  “随着更多人加入基因编辑技术淘金热之中,现有基因编辑技术的专利限制将日益凸显,探寻新的基因编辑工具和改进现有基因编辑技术都势在必行,在不久的将来,必将出现更多更有效的基因编辑技术。”汤波说。

  (咸宁日报综合)

编辑:zhusijia

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