革命性基因编辑技术CRISPR渐成科学家新宠
时间:2017-12-07

  革命性的基因编辑技术CRISPR成为科学家新宠 - 科学网

  当病毒攻击细菌时,细菌做出针对DNA的防御反应,生物学家用它来开发基因工程。

  图片来源:科学之眼

  如果只有一个报告发表,只会引起一些关注。但同时出版六份报告,这意味着这是主流趋势。

  细菌也会生病,这对乳业来说是个潜在的大问题。乳业通常依赖嗜热链球菌等细菌来生产酸奶和奶酪。嗜热链球菌将牛奶中的乳糖分解成刺激性乳酸。然而,某些病毒,如噬菌体,会逐渐削弱细菌,反过来会对细菌作用下产生的食物的质量和数量造成严重的破坏。

  CRISPR技术

  2007年,总部位于丹麦哥本哈根的食品添加剂公司丹尼斯克(Danisco)的科学家发现了一种提高噬菌体抑菌能力的方法。这一发现使杜邦能够为食品生产开发更强大的品种。一些基本原理也被揭示出来:细菌具有高度适应性的免疫系统,使其能够击退一些噬菌体的多次攻击。

  突然间,不仅食品科学家和微生物学家,很多地区都意识到细菌免疫系统的重要性,因为它具有非常有价值的特性:针对特定的基因序列。今年1月,四个研究小组报告了这个系统,称为CRISPR。在接下来的八个月中,许多研究小组用它来删除,添加,激活或抑制人类,小鼠,斑马鱼,细菌,果蝇,酵母,线虫和作物细胞中的靶基因,适用性广泛。

  美国哈佛大学的George Church说,生物学家最近开发出了新的方法来精确操纵基因,但CRISPR的强大功能和易用性在各方面都是优越的。教会的实验室是最早将这项技术应用于人类细胞的实验室之一。

  基于CRISPR,科学家比以前更快地构建人类疾病的小鼠模型,通过改变细胞中的多个基因来研究它们之间的相互作用,从而更快,更简单,更容易地研究单个基因。然而,由于这种方法的局限性开始出现,今年研究CRISPR的热潮可能会下降。但教会和CRISPR的其他先驱已经组建了一家公司,希望利用这项技术来治疗遗传性疾病。美国波兹南市蒙大拿州立大学的生物化学家Blake Wiedenheft说:“我认为在任何领域都没有任何例子表明这项技术进展太快。

  1987年,这个新的基因工程工具首次被报道,当时一组研究人员在细菌基因的末端观察到一个奇怪的重复序列。这个现象在当时并没有引起太大关注。十年之后,破译微生物基因组的生物学家经常发现一个矛盾的模式(一个DNA序列后面是几乎相同的序列,但是在相反方向构建)。这种模式发生在40%以上的细菌和90%的古细菌中。

  许多研究人员认为这些奇怪的序列是毫无意义的,但在2005年,三个生物信息学小组报道,间隔区DNA通常与噬菌体基因序列相匹配,这表明CRISPR可能在微生物免疫中起作用。加州大学伯克利分校的生物化学家詹尼弗·杜德纳(Jennifer Doudna)表示:这是一个非常重要的线索。位于马里兰州贝塞斯达的国家生物技术信息中心的Eugene Koonin和他的同事提议,细菌和古细菌捕获噬菌体DNA,并将其用作防止外来DNA匹配的RNA分子之一。保存模板就像真核生物破坏RNA一样一个被称为核糖核酸(RNAi)的系统。

  2007年,Rodolphe Barrangou,Philippe Horvath和Danisco小组的其他成员证明,他们可以通过添加或删除与噬菌体DNA相匹配的间隔DNA来改变嗜热链球菌对噬菌体的抗性。那时,目前在美国罗利州北卡罗来纳州立大学的巴朗朗并没有充分认识到CRISPR的全部潜力。他说:我们还不知道这些元素是否可以成为现成的技术,如引人注目的基因编辑技术。

  Doudna已经与Emmanuelle Charpentier一起迈出了下一步,他目前在德国Helmholtz感染研究所和汉诺威医学院工作。他们独立回顾了各种CRISPR相关蛋白的作用,并探讨了间隔区DNA在细菌免疫防御中的作用。但是这两位专家迅速转向依赖于一种名为Cas9的蛋白质的CRISPR系统,因为CRISPR系统比其他CRISPR系统更容易。

  响应于噬菌体侵袭,CRISPR响应细菌将间隔DNA和DNA回文序列转录成长链RNA分子。 tracrRNA(额外的RNA片段)与Cas9一起产生crRNA(间隔物衍生的RNA)。 Charpentier研究小组在2011年报告了自然界的发现。研究小组提出Cas9,tracrRNA和crRNA以某种方式攻击与crRNA配对的外源DNA。

  速度不是CRISPR的唯一优势。 Church的研究小组正在推动在人类细胞中使用TALENs(合成核酸酶),在这三种类型的人类细胞中,CRISPR系统比TALENs在切割目标DNA方面更有效率,并能处理比TALEN更多的基因。的CRISPR系统,教会的小组合成了成千上万的指导RNA序列,可以锁定90%的人类基因。

  几乎一篇关于教会论文的独立研究论文,由美国马萨诸塞州博德学院的合成生物学家冯章及其同事完成,显示CRISPR立即锁定和切割人类细胞中的两个基因。与鲁道夫·加尼施(Rudolf Jaenisch)合作,在马萨诸塞州怀黑德生物医学研究所的发育生物学家,张在小鼠胚胎干细胞分裂了五个基因。

  这些努力为开发突变小鼠奠定了基础,突变小鼠是生物医学研究的一个关键工具。一种方法是将来自突变小鼠的胚胎干细胞植入生长中的胚胎中。他的研究小组发现,它可以简单地将Cas9信使RNA和两个指导性RNA注射到小鼠卵子或受精卵中。

  根据Zhang的CRISPR技术,一个新的小鼠模型即将在几周内被测试,Zhang认为这种方法不限于老鼠,只要操纵胚胎并将它们移植到胚胎中,能够对大型动物(甚至灵长类动物)进行研究。

  张和教会的报告发表三周后,Doudna的研究小组和韩国的一个研究小组报道,他们成功地使用CRISPR从人类细胞中切下DNA。同时,另一个研究小组透露,他们使用CRISPR来创建突变的斑马鱼。一系列的研究已经产生了协同效应,并且已经在生物圈得到了广泛的关注。北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的生物医学工程师查尔斯·格斯巴赫(Charles Gersbach)说,只是对报告给予了一些关注。但同时出版六份报告,这意味着这是主流趋势。

  一年前,当高西峡看到杜德娜和夏蓬蒂耶的报道时,她的理论被压倒了。高彩霞的研究团队来自中国科学院遗传与发育生物学研究所,利用锌指结构和TALENs技术研究水稻和小麦,利用CRISPR技术成功地将四个基因这意味着这项技术可以用来改良水稻,这是一项重要的作物,对于小麦而言,他们敲除了一个使小麦抵抗白粉病的基因,CRISPR令人振奋,研究小组的报告发表在自然生物技术8月号,以及关于CRISPR植物和小鼠研究结果的另外四份报告。

  使用CRISPR的低成本:免费软件设计一个给定基因的NCR费用限制的RNA,并设计你在65美元的基因库来源这样的Addgene只有65美元的CRISPR系统。从今年开始,Addgene已经看到了5000个CRISPR构建体的产生,这11个研究小组为其提供了CRISPR系统的DNA序列。今年7月,Addgene在一周内收到了100个订单(为了设计一个新的工程),Addgene的董事总经理Joanne Kamens说:Addgene是最热的。(原题为“CRISPR疯狂的威胁“)

  “中国科学”(2013-08-27第3版国际)