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CRISPR/Cas9——无所不能?

作者:管理员    出处:科学网博文    浏览次数:81(2017-6-8)

      SCIENCE CHINA Life Sciences (《中国科学:生命科学》英文版)2017年第5期出版了“Genome editing in genetic therapy and agriculture”专题,包含9篇文章(http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCLS/specialTopics/postArticles/XLWWrSuBMfNDPvAiZ)

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       CRISPR-Cas9(规律成簇的间隔短回文重复相关蛋白9Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(CRISPR)-associated protein 9)是原核生物在长期演化中形成的用来对抗病毒或外源DNA入侵的适应性免疫防御机制。2013年,研究人员首次报道改造后的CRISPR/Cas9系统可实现快速、特异和高效地切割真核细胞DNA。随后,CRISPR/Cas9在多个物种中的基因编辑能力被相继证实,并经过多种巧妙的改造,为生物医学研究、临床治疗和农业等领域带来前所未有的革新。本期特刊包括9篇研究论文,聚焦CRISPR-Cas9技术在遗传疗法和农业两个领域的研究现状和实际应用。

CRISPR-Cas9可以识别并切割基因组的特定序列,因而可被用于特异地破坏或者修复某些基因。根据DNA双链断裂后存在的非同源末端连接(non-homologous endjoining(NHEJ))和同源片段介导修复(homology directed repair (HDR)-mediated DNA repair)两种修复方式,研究者实现了利用CRISPR-Cas9系统对致病基因单碱基突变或者大片段插入突变的精确修复。新型的Cas9系统已被广泛用于寻找治疗靶点和开发基因疗法。例如,对于某些疾病,Cas9系统被用于破坏或者修正疾病相关基因,从而减轻或者完全消除病征。科学家正致力于实现将CRISPR-Cas9系统的工作组分(包括Cas9 mRNA或蛋白,以及编码Cas9基因和相关sgRNA的载体)以高效、安全且可重复的方式向体内输送。尽管已有CRISPR-Cas9应用于基因治疗领域的多个报道,目前仍存在一些认识和技术上的挑战。另外,模式生物是基础研究和遗传疗法的重要工具,模式生物果蝇中的多种基因编辑手段,对于临床和农业等的基于CRISPR-Cas9系统的多种应用都会有借鉴作用;同样,植物基因编辑现状中存在的问题,如何将基因编辑工作组分高效地转入植物细胞,与在动物细胞中有很大程度的类似性。

在本刊的9篇文章中,4篇原创研究论文涉及植物细胞的基因编辑。首先,2篇文章展示了利用Cas9蛋白和胞嘧啶脱氨酶(cytidine deaminase)构建融合蛋白,实现植物DNA单碱基的精确编辑,这一技术将在基础研究和作物育种等领域大有作为。其中,周焕斌和林宏辉研究组合作报道了在水稻中利用包括rBE3rBE4的基因编辑工具在特定的基因位点获得了功能增强型突变。在选取的几个靶基因进行的测试发现,rBE3/sgRNA可将胞嘧啶突变为所有其他类型的核苷酸,统计结果表明在T0植株中这些突变的概率高达38.9%。姜临建和陈其军研究组在拟南芥中利用CRISPR-Cas9系统实现了高效的碱基编辑,获得了功能增强型突变体——ALS基因跟拟南芥对除草剂的耐受性相关,研究者针对该基因制造了多个点突变,发现携带点突变的T1植株对除草剂的耐受能力显著增强。此外,林毅、张锐和郭三堆研究组利用CRISPR-Cas9实现了对陆地棉GhARG基因的敲除,T1突变株在高氮素或者低氮素条件下侧根系统的发育均显著改善。最后,严长杰和王克剑研究组探讨了CRISPR-Cas9系统在作物育种中获得遗传多样性的潜在价值。

      基因编辑及相关技术的日新月异引人瞩目,其在遗传治疗和农业科技等领域的实际应用更是催人振奋。但是,伴随这一过程产生的生物安全及相关伦理问题令人关切,对此,科研工作者和政府管理人员均应高度重视。在未来,伦理规范的普及和具体安全保障措施的建立健全势在必行。
【关键词】基因剪刀