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1700227528 基因魔剪:改造生命的新技术 [:1700226921]
1700227529 基因魔剪:改造生命的新技术 基因组编辑是何时出现的
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1700227531 如果能准确地对基因进行操作,就能更自由地制造出“基因敲除小鼠”,甚至还能对除小鼠之外的其他生物实施基因敲除。开发基因组编辑技术的过程持续了很多年,这项技术的开发要点在于,如何才能准确地击中想要操作的基因。
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1700227533 大约在20年前,出现了第一代基因组编辑技术——ZFN(锌指核酸酶,Zinc Finger Nuclease)。
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1700227535 上文已经阐述过,生物的基因是利用4种碱基来记载信息的。而在细胞里,则存在具有能与特定碱基相结合的蛋白质。ZFN所凭借的就是蛋白质的这种特性。
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1700227537 在使用ZFN时,研究者首先必须针对蛋白质的特定部分(锌指)进行分析和设计,使其能与想要编辑的DNA碱基序列相结合,然后制备出该锌指蛋白,并将其送入细胞之中。它会从数万基因中找到目标基因,并与之结合。
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1700227539 在该锌指蛋白上,还设置有另一重关键诀窍——其上连接有能够切割基因的限制性内切酶(的一部分)。如此一来,当ZFN与目标基因结合时,该内切酶就能发挥类似剪刀的作用,将基因切断,从而使得目标基因丧失作用。
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1700227541 锌指蛋白对碱基的识别以1~3个为一组。比如对于“GAA”这一碱基序列,则需选择与其相对应的适当的锌指进行排列。有时单纯依靠排序还是难以识别,这取决于成为靶点的碱基的排列方式。总之,想要完成与碱基进行结合的蛋白质的制备工作,必须具备极高的知识水平和技术能力以及丰富的经验。
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1700227543 之后,在2010年左右出现的第二代TALEN(transcription activator‐like effector nuclease,转录激活因子样效应物核酸酶)技术实现了相当大的突破。每一个碱基都与一个TAL repeat(蛋白)相结合。在熟悉TALEN之前确实会感到它难以使用,但其作为能读取基因序列并准确切断目标位点的技术,在专家之中逐渐获得了广泛关注。
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1700227545 确实,已有越来越多的研究人员开始使用TALEN进行研究,而且在技术层面也已取得很大进展,如今已经能以更高的效率,在短时间内完成使用前的准备工作。TALEN很少会发生误切断非目标DNA序列的情况,直到如今,它获得的评价依然很高。
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1700227550 ■ZFN原理
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1700227555 ■TALEN原理
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1700227561 基因魔剪:改造生命的新技术 第三代技术——CRISPR‐Cas 9诞生记
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1700227563 第三代的CRISPR‐Cas 9,是以发表于2012年的某篇论文为其诞生标志的新技术,常被称作“基因魔剪”。正是因为CRISPR‐Cas 9的出现,基因组编辑才获得了全球性的普及。
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1700227565 这篇论文是美国加利福尼亚大学伯克利分校的詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)博士,以及瑞典于默奥大学(Umea°Universitet)的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)博士的研究组的共同成果。她们创造出的CRISPR‐Cas 9与第一代和第二代基因组编辑技术有着根本性的不同。
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1700227567 研究组注意到,细菌具备某种防御病毒入侵的机制。细菌之中存在一种名为CRISPR的DNA序列,该序列会在对抗病毒感染时发挥作用,然而,科学家尚不清楚其具体的作用机制。
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1700227569 CRISPR包含某种颇具特征的重复序列,其中容纳有病毒的部分DNA,这是过去曾感染过的病毒的基因片段。当再次遭受到同种病毒的感染时,细菌就能以该序列为标记,利用一种名为Cas 9的酶,将病毒的DNA切断以防止感染。
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1700227571 包括我们人类在内的脊椎动物,都拥有免疫系统机制以保护自身。大家知道,如果在小时候曾得过麻疹或水痘,那么将来再次感染时症状就会减轻,这得益于免疫细胞在感染后记住了病原体特征。疫苗利用的就是对病原体的细胞表面特征的记忆作用。接种疫苗之后会发生初次感染,于是免疫细胞就记住了这种特征,在发生二次或多次感染时就能快速消除病原体。这叫作“获得性免疫”。
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1700227573 在细菌中发现的“CRISPR”的DNA序列和“Cas 9”的酶能起到类似的作用。只不过,作为标记被记住的是基因的碱基序列。换句话说就是,细菌也具备以基因序列为标记的获得性免疫能力。
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1700227575 两人的研究组在CRISPR和Cas 9的现有功能的基础上,对其进行了易于使用的改进,并展示了将其当作人为切断目标DNA序列的道具来使用的方法。换言之,她们证明了它可以成为基因组编辑的工具。许多研究者都对该项成果给予了回应。
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1700227577 其中包括由麻省理工学院(MIT)和哈佛大学共同成立的博劳德研究所(Broad Institate)的张锋博士的研究组,他们随即也投入了对CRISPR‐Cas 9的应用和改良工作中。研究组确认了CRISPR‐Cas 9亦可应用于人类和动物细胞,并对其进行了进一步改良,充分展示了它在技术层面的巨大潜力和通用性。自此,对CRISPR‐Cas 9的应用才算是“真刀真枪”地开始了。
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