1、現(xiàn)代科技作業(yè):馬濤濤學(xué)號(hào)： 150310125 專業(yè)：計(jì)算機(jī)系（一班）基因編輯技術(shù)一簡(jiǎn)介基因編輯技術(shù)指能夠讓人類對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行“編輯”，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定 DNA片段的敲除、 加入等。利用該技術(shù)，可以精確地定位到基因組的某一位點(diǎn)上，在這位點(diǎn)上剪斷靶標(biāo) DNA片段并插入新的基因片段。 此過(guò)程既模擬了基因的自然突變，又修改并編輯了原有的基因組，真正達(dá)成了 “編輯基因”。原理Gene editing1. A guid。RhA 電conu the DN/Io find the taicc goneDNATargel geneI |皿皿皿nmmDGuide HNA2. Caii9 unzynm cuts Iti

2、ioixjh buLh sL&rm國(guó) DNAUNA scutniiiniiiMiiiiiiTnIl | |jGuide HNACas9 enzyme3. Faulty Qene is eilher nactiYaiec or replaced wilh a heafthy copyliealthy DNA川imn而川川川IIISocnca: AddgcnftI3H3現(xiàn)代基因組編輯技術(shù)的基本原理是相同的，即借助特異性DNA雙鏈斷裂（DNAdouble-strand breaks DSB s） 激活細(xì)胞天然的修復(fù)機(jī)制，包括非同源末端連接（NHEJ）和同源重組修復(fù)（HDR）兩條途徑。非同源末端連接（

3、NHEJ）是一種低保真度的修復(fù)過(guò)程，斷裂的 DNA修復(fù)重連的過(guò)程中 會(huì)發(fā)生堿基隨機(jī)的插入或丟失，造成移碼突變使基因失活，實(shí)現(xiàn)目的基因敲除。如果一個(gè)外源性供體基因序列存在， NHEJ機(jī)制會(huì)將其連入雙鏈斷裂 DSB位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的基因敲 入。同源重組修復(fù)（HR）是一種相對(duì)高保真度的修復(fù)過(guò)程，在一個(gè)帶有同源臂的重組供體 存在的情況下，供體中的外源目的基因會(huì)通過(guò)同源重組過(guò)程完整的整合到靶位點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的堿基插入或丟失。 如果在一個(gè)基因兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生 DSB在一個(gè)同源供體存在的情況下， 可以進(jìn)行原基因的替換。3,I T III3$3,定a 1喻匕安a定由癌人ni I 11if EEC：rI HI

4、H 11 Il ：ETH35r識(shí)別模式識(shí)別長(zhǎng)度識(shí)別序列特點(diǎn)特異性蛋白質(zhì)DNA (3-6) x 3x2 bp 以3 hp為單位 較高蛋白質(zhì).DNA(12-20) x2bp5前一位為T一般RNA-DNA20 bp3,序列為NGG一股構(gòu)建堆易難度大較容易容易細(xì)胞毒性較小較力定送珊1 11 1 H I定點(diǎn)后口背換:rm iiihill rrrt圖i基因組手啟惇原理示意圖三基因編輯技術(shù)的種類目前主要有3種基因編輯技術(shù)，分別為：1. 人工核酸酶介導(dǎo)的鋅指核酸酶(zinc- finger nucleases , ZFN)技術(shù);2. 轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶(transcription activator-

5、 like effectornucleases , TALEN肢術(shù)；3. RNA 引導(dǎo)的 CRISPR- Cas 核酸酶技術(shù)(CRISPR- Cas RGNs)。表1不同基因組編輯技術(shù)比較ZFNTALENCRISPR基因編輯技術(shù)的應(yīng)用前景1. 基因功能研究基因敲除是在活體動(dòng)物上驗(yàn)證基因功能必不可少的邏輯環(huán)節(jié)，但是傳統(tǒng)的基因敲除方法需要通過(guò)復(fù)雜的打靶載體構(gòu)建、ES 細(xì)胞篩選、嵌合體動(dòng)物模型選育等一系列步驟，成功率受到多方面因素的限制。即使對(duì)于技術(shù)比較成熟的實(shí)驗(yàn)室，利用傳統(tǒng)技術(shù)敲除大鼠或小鼠身上的某個(gè)基因一般也需要 1 年以上。基因編輯新技術(shù)則不然，敲除基因高效快速，是研究基因功能的有力工具。ZF

6、N 技術(shù)已在大鼠、小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥、玉米、煙草等模式生物或經(jīng)濟(jì)物種的細(xì)胞或胚胎中以及包括誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells , iPSC)在的人體外培養(yǎng)細(xì)胞系中成功地實(shí)現(xiàn)了源基因的定點(diǎn)突變，其中在果蠅、斑馬魚、大鼠等物種中還獲得了可以穩(wěn)定遺傳的突變體。2009 年， 威斯康辛醫(yī)學(xué)院、Sangamo Biosciences 、 Sigma- Aldrich 等多家機(jī)構(gòu)使用 ZFN 技術(shù)，成功培育出首只靶基因敲除的大鼠，而且?guī)в性撏蛔兊拇笫笏暮蟠?樣帶有該基因突變。2. 基因治療傳統(tǒng)的基因治療是將正常的基因片段引入細(xì)胞中替代有缺陷的基因，

7、但這種方法難以精準(zhǔn)控制，可能產(chǎn)生很大的毒副作用?；蚓庉嬓录夹g(shù)可以精確定位，在靶位點(diǎn)進(jìn)行修正或進(jìn)行基因切除，達(dá)到基因治療的目的。Bacman 等人利用TALEN技術(shù)清除了來(lái)自于病人線粒體的有病DNA。這是TALEN首次應(yīng)用于線粒體基因的編輯，這項(xiàng)研究有望用于治療母系遺傳的線粒體病。Li 等人利用ZFN 技術(shù)能在染色體上精確定位的優(yōu)勢(shì)，通過(guò) “剪切”和 “粘貼”基因，在實(shí)驗(yàn)小鼠體實(shí)現(xiàn)了血友病治療，避免了傳統(tǒng)基因療法帶來(lái)的插入誘變風(fēng)險(xiǎn)，首次取得了基因組編輯在基因療法上的突破。3. 構(gòu)建模式動(dòng)物根據(jù)人類疾病所構(gòu)建的動(dòng)物模型，對(duì)研究這些疾病的發(fā)生及其治療有著重要意義。基因打靶技術(shù)是在ES 和同源重組技

8、術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，模型構(gòu)建耗時(shí)長(zhǎng)、成本高， 且模式動(dòng)物的選擇受到ES 細(xì)胞的限制。基因編輯新技術(shù)不受ES 細(xì)胞的限制，效率高，速度快，且定點(diǎn)編輯更加精確，可在多種細(xì)胞及生物體的特定位點(diǎn)進(jìn)行切割和修飾。構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠第一人Jaenisch 與其同事最近利用 CRISPR- Cas 系統(tǒng)又構(gòu)建了攜帶特異性突變的小鼠模型。4. 改造和培育新品種傳統(tǒng)的改造動(dòng)植物品種的轉(zhuǎn)基因技術(shù)是將外源DNA 片段插入受體的基因組中，改造基因功能，使其表達(dá)優(yōu)良的性狀，獲得人類需要的品種?；蚓庉嫾夹g(shù)則可以進(jìn)行定點(diǎn)修飾，達(dá)到高效定向。Shukla 等對(duì)玉米進(jìn)行肌醇磷酸激酶1(inositol phosphate ki

9、nase 1， IPK1) 基因的修飾， 使其對(duì)除草劑的耐性增強(qiáng)，在發(fā)育的種子中肌醇磷酸鹽表達(dá)譜也發(fā)生了與預(yù)期一樣的改變。Townsend 等以煙草中的丙酮醇合酶(acetolactate synthase) 基因 SuR (SuRA 和 SuRB)位點(diǎn)為靶標(biāo)，育成了對(duì)咪唑啉酮(imidazolinone) 除草劑和對(duì)磺脲(sulphonylurea) 除草劑都有抵抗力的新品種。五基因編輯技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的以同源重組和胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell , ES)技術(shù)為基礎(chǔ) 的基因打靶技術(shù)相比，基因編輯新技術(shù)保留了可定點(diǎn)修飾的特點(diǎn)，可應(yīng)用到更多 的物種上，效率更高，構(gòu)建時(shí)間更短，

10、成本更低。六基因編輯技術(shù)缺點(diǎn)1 .技術(shù)難題基因編輯是一項(xiàng)新技術(shù)，還存在構(gòu)建復(fù)雜和價(jià)格的問(wèn)題，其脫靶效應(yīng)限制了其在基因治療等應(yīng)用上的發(fā)展。2 .倫理爭(zhēng)議基因編輯技術(shù)其實(shí)面臨很大的政策與醫(yī)學(xué)倫理爭(zhēng)議，尤其是對(duì)人類胚胎 DNA編輯，一經(jīng)亮相就登上各大頭條并引起廣泛關(guān)注。相關(guān)研究的每次發(fā)布都能產(chǎn)生一石激起千層浪的強(qiáng)烈反響。繼去年大學(xué)黃軍教授在 Protein and Cells上發(fā)表的第一篇關(guān)于人類胚胎基因編輯研究,勇博士團(tuán)隊(duì)于今年 4月份發(fā)表在J Assist Reprod Genet全球第二篇研究論文（運(yùn)用人 類胚胎基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn) HIV免疫）。這兩次發(fā)表都引起了 Nature、Science等國(guó)際頂級(jí)期 刊的極大關(guān)注和激烈討論。出于一種對(duì)于改變?nèi)梭w基因組的后果的畏懼，倫理學(xué)界的一些人已經(jīng)呼吁對(duì)其全面禁止。那些支持謹(jǐn)慎地進(jìn)行基因編輯臨床應(yīng)用的人則強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)技術(shù)治療罕 見(jiàn)單基因疾病的潛力。爭(zhēng)論的結(jié)果是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院為此專門召開了一次國(guó)際科