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基因编辑技术

更新时间:2017-07-07      浏览次数:779

基因编辑技术

CRISPR-Cas9工具让科学家几乎能随意改变基因组。人们称赞它比以往的技术明显更简单、更廉价及更通用。CRISPR-Cas9在各地的实验室中大放光彩,并带来了一些医学和基础研究的新应用。但该技术也有其局限性。美国加州大学圣地亚哥分校生物工程师Prashant Mali指出,它擅长到基因组的一个特定位点,并在那里完成切割。“但有时候你感兴趣的应用还要多一点。”

[Argonaute]

今年年初,研究人员怀着热情扑向了一种名为NgAgo的新基因编辑系统。这也显示了他们对CRISPR-Cas9存在不满,以及寻找替代方法的强烈动机。哈佛大学医学院遗传学家George Church说:“这暗示了每种新技术是多么的脆弱。”NgAgo只是不断扩大的基因编辑工具库中的一员。在该工具库中,有些是CRISPR的变体,另一些则为编辑基因组提供了新途径。

迷你版Cas9

或许有一天,CRISPR-Cas9会被用来改写导致遗传疾病的一些基因。但这一系统的组件——Cas9酶和引导其到达目标序列的一段RNA过大,无法填塞到基因治疗zui常用病毒的基因组中并将外源遗传物质运送到人类细胞中。从葡萄球菌中取得的迷你Cas9形式是一种解决方案。它非常小,可以硬塞进当前市场上基因治疗采用的病毒中。去年12月,两个研究小组利用迷你Cas9在小鼠中纠正了导致杜氏肌营养不良的基因。

扩大范围

Cas9不会到处进行切割——某一DNA序列必定存在于切割位点附近。这一要求在许多基因组中很容易得到满足,但对于一些实验来说可能是令人痛苦的限制。研究人员正在寻找一些微生物提供有着不同序列要求的酶,这样便可以扩大能够改造的序列数量。这样的一种酶Cpf1,可能成为有吸引力的替代品。比Cas9更小的Cpf1有不同的序列要求,且高度特异。另一种叫作C2c2的酶,靶向RNA而非DNA——这一特征有潜力用于研究RNA及利用RNA基因组对抗病毒。

真正的编辑器

许多实验室只利用了CRISPR-Cas9删除基因的一部分,由此破坏其功能。Church说:“人们想将这样的编辑宣布为胜利,但烧掉书的一页并不等于编辑了这本书。”那些想用一段序列交换另一段序列的研究人员,则面对着一个更艰难的任务。当Cas9切割DNA时,细胞往往会在缝合断裂端时生成一些错误。这可以造成许多研究人员想要的缺失。

想要改写一段DNA序列的研究人员,依赖于可以插入新序列的不同修复信号通路——发生这一过程的频率比容易出错的缝合要低得多。明尼苏达大学植物学家Daniel Voytas说:“每个人都说,未来或能一次编辑多个基因,而我认为:我们现在甚至无法编辑一个基因。

但过去几个月里的一些进展给Voytas带来了希望。在今年4月,研究人员宣布他们让Cas9丧失功能,将其与可将一种DNA碱基转变为另一种DNA碱基的酶连接在了一起。丧失能力的Cas9仍然靶向它的向导RNA的序列,但无法进行切割:其连接的酶转变了DNA碱基,zui终将此处的C碱基转变成了T碱基。近日,发布在《科学》杂志上的一篇论文报道了类似结果。Voytas等人希望连接其他使得Cas9丧失功能的酶将生成不同的序列改变。

追逐Argonaute

今年5月,发表在《自然—生物技术》杂志上的一篇论文推出了一个全新的基因编辑系统。研究人员称,他们能够利用一种叫作Argonaute的蛋白无需向导RNA或一段特定的邻近基因组序列,可在预定位点切割DNA。转而他们采用了对应靶区域的一段短DNA序列编程了Argonaute蛋白。这一研究发现引发了关于CRISPR-Cas9将被取代的兴奋与猜测,但一些实验室迄今为止无法重现这些结果。韩国首尔国立大学基因组工程师Jin-Soo Kim提到,即便如此,来自其他细菌的Argonaute仍有望提供一条前进的道路。

编程一些酶

另一些基因编辑系统也在准备中,尽管有些已徘徊多年。在一个大型细菌研究计划中,Church的实验室并没有触及CRISPR,而是依靠了一种叫作lambda Red的系统,无需向导RNA可以编程lambda Red以改造DNA序列。然而,尽管该实验室已开展了13年的研究,lambda Red还是只能在细菌中起作用。Church等人表示,实验室也正在致力于开发整合酶和重组酶,用作基因编辑器。 “通过利用酶的多样性,我们可以生成更强大的基因组编辑工具箱。我们必须继续探索这些未知的事物。”

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