CRISPR是什么?

这里我们来看看这把革命性的“分子剪刀”——它们是如何工作的,在哪里被使用的。

插画由Kieran O 'Brien

CRISPR基因编辑工具已经成为一种强大的技术,可以通过添加、删除或改变特定位置的DNA来编辑人类基因组。在过去的十年里,围绕CRISPR的研究出现了爆炸式增长,并以不计其数的创新应用彻底改变了基因编辑工程DNA纳米结构治疗使人衰弱的基因疾病,比如镰状细胞病

这些例子同时被视为奇迹般的突破和道德上可疑的发明,显示出CRISPR在纠正遗传缺陷和从源头治疗遗传疾病方面的潜力。这讲解员概述了CRISPR是如何工作的,以及如何应用它来解决医学和其他领域的挑战性问题。

CRISPR从何而来?

CRISPR代表有规则间隔的短回文重复的簇是DNA的一个特殊区域,由间隔区和核苷酸重复序列(构成DNA主干的积木)组成。它最初是由细菌改造而成的,细菌将其作为免疫系统的一部分。

为了保护自己,细菌切割并破坏入侵病毒的DNA。当它们在病毒感染中存活下来时,它们会保留一部分病毒DNA,作为建立过去罪魁祸首记录的一种方式。这种“DNA纪念品”被存储在CRISPR重复序列之间的细菌基因组间隔中,这为细菌识别任何重复的病毒感染创建了一个参考库。

CRISPR是如何工作的?

CRISPR系统采用了两种主要成分:Cas9蛋白,它扮演着分子剪刀的角色,以及一个可编程的RNA向导,它可以识别特定的DNA序列。

RNA向导是一条与特定靶基因互补的单链,例如,一个制造镰状细胞的靶基因。Cas9酶使用这种RNA指南像地图一样“读取”宿主的DNA,以找到目标基因。当配对发生时,就会触发酶的内部机制进行切割,通常是通过切断核苷酸中的一个键。

在这一切割之后,细胞自身的机制将试图修复DNA,通过尝试用一种称为“粘接”的方法将它们粘在一起异源端加入。这种途径速度很快,但通常会出错或不完美地修复这些链,因此基因不能再被细胞阅读和翻译,从而导致其失活。这被称为“基因敲除”。

科学家还可以利用细胞的天然DNA修复途径编辑或插入新的遗传密码(“基因敲入”)。在这些情况下,CRISPR/Cas9酶与DNA模板一起递送,插入到一个精确的位置。第二种DNA修复机制叫做homology-directed修复是必需的,这更精确但需要比非同源终端连接更长时间。

尽管具有挑战性,但这一领域的研究在过去十年里取得了爆炸式的发展,现在有许多创造性的方法来提高使用CRISPR/Cas9敲入基因的效率。其他CRISPR类也被开发出了不同的功能,这取决于它们被嵌入了什么元素。

是什么阻止了CRISPR切割整个基因组?

应用CRISPR当然不像在整个基因组中运行一段RNA那么简单:你如何控制剪切发生的位置?

在细菌中,Cas9酶依赖于被称为“PAMs”(简称PAMs)的短DNA序列protospacer相邻的图案)沿着目标切割的DNA区域。当CRISPR系统定位到PAM,它就会与之结合,使系统定位到正确的位置,即从PAM上游3到4个核苷酸。

通过这种方式,系统只编辑包含PAM序列的位置,防止Cas9“失控”,并剪断所有它能找到的匹配DNA,包括CRISPR文库本身。

不同的PAMs存在于我们的DNA中,不同的CRISPR/Cas酶经过多年的设计来识别它们。

为什么CRISPR会有争议?

和所有技术一样,修改任何DNA序列的能力都有可能被不道德地使用,并不是没有风险。

生物伦理学家和研究人员担心的一个问题是CRISPR会打开潘多拉之盒吗。这项技术离完美还很遥远,当应用于人类胚胎的基因修复时,即使成功的编辑也可能产生意想不到的后果。基因组是如此复杂,而已知的基因有多种功能,其中一些功能仍然是未知的。因此,对一个基因进行编辑可能会导致无法预见的基因变化,从而威胁到整个种群和后代。

该技术也有可能被用于治疗干预之外,即不仅用于消除危及生命的疾病,而且还用于提高理想的特征和能力,如智力和外貌。这与一种担忧有关,即这项技术可能只对富人开放,这可能会进一步加剧贫富差距,如果走到极端,可能会根据基因组的“质量”创造出不同的个体类别。

因此科学家们要求暂停对人类生殖系基因组的修改,以帮助科学家和伦理学家分析这项技术的影响,在它被用于临床之前。但是当它结束的时候科学家们需要满足什么样的条件啊仍然是不确定的。

CRISPR有哪些应用?

虽然需要对这种基因编辑工具进行监管和更好地理解,但CRISPR的潜在好处不能被轻易忽视,其中一些已经取得了成果。

2019年,它首次被用于治疗镰状细胞病和地中海贫血在成年患者中,从患者骨髓中取出造血干细胞,并对其进行编辑以消除导致疾病的突变。CRISPR也被用于临床试验治疗特定癌症和遗传性失明

在医学之外,CRISPR也被用于控制昆虫的入侵种群,比如携带疟疾的蚊子,以创建新型冠状病毒肺炎廉价诊断检测试剂盒这是DNA磁带录音机打来的电话相机,高效的生物燃料,举几个例子。许多人也预测了它的潜力改变食品行业通过提高食物口味,抵抗疾病,甚至解决过敏原。

虽然基于crispr的技术仍然需要改进,并解决它们的安全和伦理问题,但研究人员将继续努力改进,使这一过程更加精确和有效。它的潜力似乎是无限的,看看它如何发展将是有趣的。

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