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    基因組編輯技術——后基因組時代生命科學研究的助力器

    2015-02-03 15:57 | 作者: 李勁松 | 標簽: 基因組編輯

    封面說明:本期雜志的封面圖片為卡通風格,形象地描述了中科院上海生物化學與細胞研究所李勁松課題組利用CRISPR-Cas9技術治療小鼠白內障遺傳疾病的科研成果,該工作于2013年12月5日發表在Cell Stem Cell雜志上。畫中描述一位木匠(戴著標有Cas9的帽子),手持錘子(標有sgRNA)和銼刀,正在修復受損的一段梯子(形如DNA雙鏈),這寓意著CRISPR-Cas9技術能夠用于修復缺 陷的DNA。該藝術設計工作由上海的設計師趙佳峰完成。

    1953 年,沃森和克里克發現了DNA 雙螺旋結構,不僅探明了DNA 分子的結構,而且提示了DNA 復制的分子機制,“生命奧秘”的黑匣子從此被打開,開啟了生命科學研究的新時代—— 分子生物學時代。之后的幾十年中,人們好奇于揭秘人自身的遺傳密碼。21 世紀初,隨著人類全基因組測序的完成,生命科學研究進入了一個以揭示基因功能為目的的后基因組時代,而在這一時代,基因組編輯技術毫無疑問成為了重要的研究工具和手段。

    事實上,自DNA 雙螺旋結構被揭秘以來,科學家已經開始探討如何操作和編輯DNA,特別是如何在基因組上特定位點進行有目的的改造。上世紀70 年代,隨著在酵母和細菌中發現DNA 修復和同源重組機制,基于DNA 同源重組技術的基因打靶策略孕育而生,使得靶向的基因修飾成為了可能。1981 年,隨著第一株小鼠胚胎干細胞系的建立,在哺乳動物個體水平進行基因打靶,即獲得靶向基因編輯的動物模型獲得了成功。自此,基因打靶成為研究哺乳動物基因功能的主要手段。然而,該策略依賴于胚胎干細胞,因此,在很長一段時間內,獲得靶向基因編輯動物模型只能在小鼠上進行。1997年,第一只體細胞克隆動物“Dolly”羊問世,使得通過在體細胞中進行基因打靶,然后利用這些細胞進行核移植獲得克隆動物,從而產生基因靶向編輯的動物模型成為可能。雖然如此,但是,基于傳統DNA 同源重組技術獲得靶向遺傳編輯動物模型的策略存在耗時、耗力、成功率低等問題。近年來,多種新型高效的DNA 靶向內切酶被發現,并被應用于構建遺傳編輯的動物模型,其中以鋅指核酸酶(zinc finger nucleases, ZFN)、類轉錄激活樣效應因子核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALEN)、規律成簇間隔短回文重復序列(cluster regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR-Cas) 應用最為廣泛。這三種方法工作原理均是在特定位點造成DNA 雙鏈斷裂,導致細胞利用自身的DNA 修復機制在該位點產生DNA 同源重組(homologous recombination, HR) 或者非同源末端連接(non-homology end joining, NHEJ),從而實現靶向遺傳編輯。這三種方法中,CRISPR-Cas 技術最為簡便、快捷,自2012 年問世以來,已經迅速在生命科學研究的各個領域發揮了重要作用。我國科學家也很快建立了相關系統并成功地應用到不同的模式生物和經濟作物中,取得了一系列重要的研究成果,如在國際上率先利用CRISPR-Cas9 技術獲得了基因敲除的大鼠和猴,率先利用CRISPR-Cas9進行遺傳疾病治療的嘗試等。本??突蚪M編輯技術的歷史和發展、在不同模式生物中的應用、以及在干細胞和治療領域的應用進行了全面的綜述。

    縱觀生命科學研究的歷史長河,不難看出,生物技術的創新和發展對生命科學的研究起著重要的推動作用。在后基因組時代,以CRISPR-Cas 技術為代表的新一代遺傳編輯技術必將助力于生命科學的騰飛。(注:本文系《生命科學》2015第27卷第1期《基因組編輯技術》??颍?/p>

    來源:生命科學

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