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什么是CRISPR基因编辑,它是如何工作的?

2019-08-19

什么是CRISPR基因编辑,它是如何工作的?

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科学家们发现一些细菌可以将入侵病毒的DNA切割成一种防御机制。 他们意识到他们可以用它来削减人类DNA 照片:CC BY-ND

使用 CRISPR(也称为CRISPR / Cas9) 有关 。 科学界被这种革命性所吸引,因为它比以前修改DNA的策略更容易,更便宜,更有效。

术语CRISPR / Cas9代表Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats / CRISPR相关蛋白9.这些名称反映了 ,但没有告诉我们它是如何工作的,因为它们是在任何人理解它之前创造出来的。是。

CRISPR / Cas9的作用是什么?

CRISPR / Cas9是一种在细菌中发现并参与免疫防御的系统。 细菌使用CRISPR / Cas9来切割可能会杀死它们的入侵细菌病毒的DNA。

今天,我们已经将这种分子机制用于完全不同的目的 - 改变生物体DNA代码中任何选定的字母。

我们可能想要纠正在复制时遗传或悄悄进入我们DNA的疾病导致的错误。 或者,在某些情况下,我们可能希望增强作物,牲畜或的遗传密码。

那么我们只是剪掉不需要的基因并用一个好基因替换它?

我们首先必须记住,动物和植物由数百万个细胞组成,每个细胞含有相同的DNA。 没有必要编辑一个单元格:我们必须在每个单元格中编辑相同的基因。 我们必须剔除数百万个基因并粘贴数百万个新基因。

并非所有细胞都容易进入 - 我们怎样才能到达埋藏在骨骼中或大脑深处的细胞?

更好的方法是从一开始就开始编辑基因组,而只有一个细胞 - 一个非常早期的胚胎。

所以,我们所需要的只是一个巨大的显微镜和一把小剪刀。 这基本上就是我们使用的。

Cas9是在细菌中进化的破坏病毒的“剪刀”的技术名称。 该名称的CRISPR部分来自重复的DNA序列,它是复杂系统的一部分,告诉剪刀切割哪部分DNA。

查找,剪切然后粘贴

为了定位我们的Cas9剪刀,我们将它们链接到一个人工导向器,将它们引导到匹配的DNA片段。

cas 我们给剪刀提供了我们所追踪的DNA的副本,因此他们知道在哪里切割。 照片:CC BY-ND

请记住,DNA有两条链,一条链与另一条链相配。 我们制作了一个代码指南,该代码只与我们30亿个碱基对长基因组的一部分排成一行 - 就像一个“谷歌”搜索。 我们的指南真正有可能梳理大量的遗传物质,找到它完全匹配的一个部分。 然后我们的“剪刀”可以在正确的位置切割。

一旦Cas9剪刀将DNA切割到我们想要的位置,细胞将尝试使用它可以找到的任何可用DNA来修复断裂。 因此,我们还注入了我们想要插入的新基因。

cas2 如果我们注射新DNA,它将取代我们切割的DNA。 照片:CC BY-ND

您可以使用显微镜和细针将CRISPR / Cas9与导向器和供体DNA(新基因)一起注射。 或者,你可以用电流在细胞上打孔,让这些东西漂浮在里面,用枪将它们用卡住的小子弹射击,或者将它们封装在与细胞膜融合的脂肪泡中并释放其内容物。

但新基因如何找到适合自己的地方? 想象一下,你想要放入最后一块有30亿块拼图的拼图游戏,它就在一个牢房内,充满了像热情洋溢一样的山茱萸。

你要做的是制作一个正确形状的拼图,然后将它注入到百香果中。 然后它只是一个摇摇晃晃的情况,直到最终这件作品找到了拼图的正确部分的方式,然后插入它适合的唯一位置。

你不需要能够通过显微镜观察我们基因组中的DNA - 它太小了。 而且你也不必摇晃 - 随机扩散(称为 )将始终将拼图块传递到它最终适合的位置。

首先,指南将摇晃并找到剪刀剪切的正确位置,然后新的供体DNA将在其适合的位置排列,并通过天然DNA修复机制永久性地缝合到DNA链中。

然而,最近,已经创建了 ,甚至不需要切割DNA。 在这种情况下,CRIPSR / Cas和引导系统可以将酶传递给特定基因并改变它,可能将A改为G或C改为T,而不是将任何东西切掉或放入任何东西。

我们用CRISPR / Cas9做什么?

大多数实验使用小鼠胚胎或在培养皿中生长的细胞在人工液体中设计成像血液一样。 其他研究人员正在修改干细胞,然后将其重新注入患者体内以重新填充受损器官。

世界上只有少数几个实验室正在使用 。 这项研究受到高度监管和仔细观察。 其他人则研究植物细胞,因为整株植物可以从几个细胞中生长出来。

随着我们了解更多,我们可以用CRISPR / Cas9做的范围将会改善。 我们可以做很多事情,但每个生物体和每个细胞都是不同的。 更重要的是,身体中的一切都是相互联系的,所以我们必须考虑意想不到的副作用,并 。 最重要的是,作为一个社会,我们应该讨论并同意我们希望实现的目标。

这篇文章最初出现在The Conversation中。 阅读

y是新南威尔士大学副校长学术和分子生物学教授。

the-conversation-logo-1024x512 徽标 照片:The Conversation

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责任编辑:晁缉