10.2 基因编辑与伦理在线视频

基因编辑是指对生物基因组的特定位置的

DNA序列进行有目的的修饰和改变

目前所使用的各种基于

基因编辑的方法和工具就好像剪刀

它们在目标基因组序列上实现精准的切割

然后删除 添加 或者插入目的片段

并完成基因组切割部位的修复

通过这种方式改变生物的性状

进行农作物的遗传改良

或者在各种细胞或者动物模型中

研究基因与疾病的关系等等

最早用于基因编辑的方法是

同源重组

同源重组是在两条相似的DNA链之间的

DNA片段的交换

通过构建带有与需要编辑的基因组

部分相似的序列的DNA片段

这个称为同源臂

将构建好的带有同源臂序列的DNA片段

注射或者转入到细胞中

这些片段便可与细胞基因组内的同源位点进行重组

从而取代基因组靶位点的相应DNA序列

同源重组最大的缺点是重组效率非常低

同时也有一定的在非靶位点整合的风险

另外一类则是

基于核酸内切酶的基因编辑技术

包括锌指核酸酶ZFN

转录激活因子样效应物核酸酶 TALENS

ZFNs由一个DNA结合锌指蛋白结构域

以及一个DNA剪切结构域组成

DNA结合锌指蛋白结构域

为3～4个锌指串联结构

可识别并结合一个特异的三联体碱基

DNA剪切结构域由非特异性核酸内切酶

FokI羧基端的96个氨基酸残基组成

FokI必须形成二聚体

才能发挥其核酸内切酶活性

因此每个FokI单体与1个ZFP相连构成1个ZFN

并识别特定的位点

当2个识别位点相距恰当的距离时

大概6～8bp

2个单体ZFN相互作用产生酶切功能

形成双链断裂

从而介导DNA定点剪切

转录激活因子样效应物核酸酶

它是利用激活因子样效应物

激活因子样效应物能够特异性识别DNA碱基对的

它是一种黄单胞菌的自然分泌蛋白

通过串联不同的TAL effector

理论上来说就可以识别

任何一段基因组DNA序列作为靶位点

再结合一个核酸内切酶

就可以在基因组靶位点造成DNA双链的切割

与同源重组相比

这两种方法都显著提高了

基因编辑的位点的准确性

和外源基因整合的效率

然而这两种系统需要根据基因组靶位点

来针对每一次实验构建合成特异的蛋白酶

因此使得他们的广泛使用受限

CRISPR-Cas9基因编辑系统

则在一定程度上弥补了

上述基因编辑系统的缺陷

它通过一段与靶基因互补的引导RNA

引导Cas9核酸内切酶对靶基因进行切割

由于特异性sgRNA的合成

远远比蛋白质的合成要简单 经济

因此CRISPR/Cas9基因编辑系统

则在近年来逐渐成熟并广泛使用

简单来讲 CRISPR首先在1987年

由一个日本科学家在大肠杆菌的基因组中发现

它是由一系列的短的正向重复序列组成

重复序列的长度通常 21~48 bp

这些重复序列被26~72 bp的间隔序列隔开

分析这些间隔序列

发现它们与某些质粒和噬菌体的核酸序列同源

并且可以转录出来

同时发现Cas蛋白具有解旋酶和核酸酶活性

因此认为CRISPR/Cas系统

是细菌的一种获得性免疫系统

这些间隔序列为早期外源生物感染的痕迹

并在再次感染时通过转录的反义RNA

对靶基因进行识别

并引导Cas蛋白对入侵基因进行切割

总共有三种CRISPR/Cas系统

CRISPR/Cas9是II型

由于Cas9是一个单体蛋白

完成RNA引导的DNA双链切割

而且天然存在多种Cas9的亚型可在

包括哺乳动物在内的多种物种里面 发挥活性

因此得它的应用最为广泛

天然的CRISPR-Cas9系统

包括CRISPR转录的crRNA

结合上游转录的反式crRNA

经加工成熟后形成双链RNA

在与靶基因互补的单链spacer序列的引导下

双链部分结合Cas9

Cas9的激活需要引导序列与靶基因的结合

同时还需要在靶DNA的对侧互补链上

存在特征性的PAM基序

激活的Cas9就在靶基因PAM基序上游三个碱基处

造成双链DNA的切割和断裂

DSB可以通过非同源末端连接

或者同源重组来修复

非同源末端连接时

DNA双链的断端会经过核酸酶的修剪

和DNA聚合酶的填平空隙

所以修复后的DNA会有插入或者缺失等随机突变

而同源重组修复

需同时引入包含目的序列的同源片段

是利用两个相似或相同的

DNA分子核苷酸序列之间的遗传重组

精确的修复DNA双链的断裂

并引入我们需要的目的片段

CRISPR/Cas9系统作为新一代基因编辑工具

操作简便 效率高 成本低

在该系统的应用中

把tracrRNA和crRNA进一步地

设计改进为一条RNA链

形成模拟RNA双链的单导向RNA

也就是sgRNA

进一步简化了CRISPR/Cas9的设计和应用

理论上设计sgRNA 靶向基因组中

靠近PAM的任何序列

引导Cas9对DNA的双链切割

再通过非同源末端连接或者同源重组

可以实现对基因组内任何基因的突变

或者目的片段的插入

实现基因的编辑

另外还可以将Cas9

改造成无核酸酶活性的Cas9

或与其它蛋白片段形成融合蛋白

在sgRNA序列的引导下

为基因组内特定靶序列处

带来具有各种功能的融合蛋白

这为生物体的研究和改造带来巨大潜力

然而 我们知道基因组是一个

生物个体的全部遗传信息

也是生物性状的决定因素

因此强大的基因编辑技术

也给人类社会带来了前所未有的伦理学上的挑战

例如 父母究竟是否有权力决定利用基因编辑

来对他们的胚胎进行遗传改造？

对于有些在我们的价值观中

认为不够好但并不威胁生命的性状

比如有人希望更高一些

肌肉更发达一些

那么针对这些形状

是否可以使用基因编辑去改良？

还有更为严峻的 究竟是否可以将基因编辑技术

用于生殖细胞的改造？

因为所有生殖细胞的基因改变

将会进入下一代并将稳定存在与人类基因库中

在所有这些问题尚未有答案以前

谨慎的科学态度

和一个科学工作者的良知和社会责任感

和相应的法律法规的建立完善同等重要

这些都是值得我们去深思的问题

今天的课我们先讲到这里

同学们再见