科學(xué)家的“編輯工作”
《 農(nóng)民日報 》（ 2015年11月23日 06 版）
CRISPR、基因編輯等專業(yè)術(shù)語，或許我們也就聽過，但轉(zhuǎn)基因、霧霾這些幾年前對公眾來說同樣陌生的詞匯，在今天卻被熱議。原因無他，只因科技與我們每個人的生活息息相關(guān)。
基因編輯技術(shù)目前方興未艾，但作為前沿技術(shù)儲備是現(xiàn)代科學(xué)快速發(fā)展的必需品，我國科學(xué)家正在為搶占技術(shù)的制高點做著不懈努力。——編者
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1.構(gòu)建定向制導(dǎo)系統(tǒng) 2.將制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)入細(xì)胞 3.制導(dǎo)系統(tǒng)定向?qū)ふ野形换虿⒓羟?/p> 4.基因自動修復(fù) |
“精確制導(dǎo)”育種實現(xiàn)“指哪兒打哪兒” 本報記者李國龍 幾天前，英國科學(xué)家通過基因編輯技術(shù)治療一位患白血病的女嬰消息被人們廣泛關(guān)注，而這一技術(shù)也正在被應(yīng)用到植物育種上，特別是CRISPR/Cas9基因組定向編輯技術(shù)可以使科學(xué)家更加精確地編輯基因組。“我們正在做調(diào)控光周期的試驗，目標(biāo)是讓玉米生長期縮短。”中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司分子標(biāo)記技術(shù)部研發(fā)總監(jiān)景潤春告訴記者。 正是因為CRISPR/Cas9這一技術(shù)可以更加精確、更加定向的對基因進(jìn)行修飾，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到人類、動物、植物的多個物種中，它被《科學(xué)》雜志評為2013年十大科學(xué)突破之一。 “已知作物容易感染某一病害，這說明該作物有容易遭受病害侵染的位點，通過研究知道了這個位點對應(yīng)的基因序列，CRISPR/Cas9就可以像精準(zhǔn)制導(dǎo)的導(dǎo)彈一樣，直接把基因序列中的關(guān)鍵部分‘炸掉’，再通過一系列過程，就可以得到不容易侵染這種病害的作物。”國家“千人計劃”特聘專家、中玉金標(biāo)記CEO盧洪形象地比喻：“‘炸掉’的過程叫做‘敲除’，也是‘突變’的一種。” 對于精確度，不同的研究給出了不同的答案，有研究對水稻的4個相關(guān)基因進(jìn)行定點突變，突變效率為4.0%～9.4%；有研究對試驗?zāi)Ｊ街参飻M南芥和水稻的多個基因進(jìn)行定點突變，可以獲得26%～80%的高突變效率。 “這一精確度已經(jīng)很高了，CRISPR/Cas9技術(shù)是定向?qū)е禄蛲蛔儯ㄟ^航天育種技術(shù)誘變的種子，預(yù)見不到會發(fā)生什么變化。”盧洪說，在航天育種中，太空中的宇宙射線、微重力、高真空、弱地磁場等因素就像是“狂轟亂炸”，導(dǎo)致種子的變化也是十分隨機的，有一定程度的不可預(yù)見性。航天育種中不是每粒種子都會發(fā)生基因突變，其突變率一般為百分之幾甚至千分之幾，而有益的基因突變僅是千分之三左右。 敲除僅是CRISPR/Cas9技術(shù)的作用之一，還可以進(jìn)行敲入、多位點同時突變和小片段刪除等。CRISPR/Cas9也被稱為第三代基因組定點編輯技術(shù)。景潤春說：“與鋅指核酸酶和轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶相比，它的設(shè)計更簡單、成本更低、特異性更強、作用效率更高。更重要的是，CRISPR/Cas9可以同時對基因組中多個靶位點進(jìn)行操作，使直接對由多基因組成的基因表達(dá)調(diào)控途徑進(jìn)行敲除成為可能。” 用CRISPR/Cas 9系統(tǒng)定向進(jìn)行基因位點敲除示意圖 在基因工程中，這項技術(shù)聚焦的點正是提高作用效率。通常情況下，基因工程中從發(fā)現(xiàn)一個基因的功能，到最后成為一個品種要花費很長的時間，數(shù)年、也可能是數(shù)十年，要有各個學(xué)科的一大批科學(xué)家協(xié)作完成。 通過全基因組測序可以知道基因的位點排列，這就像定位長城上的烽火臺，要精確知道每個烽火臺的經(jīng)緯度。從人類全基因組測序、到動物、再到植物，許多全基因組測序工作已經(jīng)完成。 拿著這個“經(jīng)緯度”與已知功能的基因庫做比較，如果庫中有，就可以知道這是已知功能的基因，如果沒有，這很可能就是新發(fā)現(xiàn)的一個未知功能基因。大多數(shù)基因的功能還是未知的，需要進(jìn)行基因功能挖掘，通過系統(tǒng)的工作去發(fā)現(xiàn)它與哪個或哪些功能有關(guān)系，是與高產(chǎn)有關(guān)，還是與株高有關(guān)，還是與抗病有關(guān)，事實上，一個基因可能會與多個功能有關(guān)，也可能多個基因共同控制一個功能。到目前為止，對作物基因與功能的對應(yīng)關(guān)系，人類所知只是冰山一角，這個“黑匣子”內(nèi)部大部分還處于黑暗之中。 “基因組測序、基因功能挖掘、基因克隆等，這些工作既可以應(yīng)用CRISPR/Cas9技術(shù)，也是CRISPR/Cas9應(yīng)用到育種中的前置工作。CRISPR/Cas9在育種中所處的環(huán)節(jié)也有許多其他技術(shù)，但它的革命性就在于大大提高了打靶的準(zhǔn)確率。”盧洪多次給記者解釋這項技術(shù)的應(yīng)用價值，“無論是突變育種中所用的化學(xué)射線、航天育種中的環(huán)境誘變，還是發(fā)展到人工把基因中的一些位點進(jìn)行敲除、置換，并不能做到精確，隨機性很大，可能有打上靶的，但絕大部分就都脫靶了。” 即使把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，也需要對帶有重組體的細(xì)胞進(jìn)行擴增，以獲得大量的細(xì)胞，還需要應(yīng)用相應(yīng)的試劑進(jìn)行篩選，篩選出具有重組DNA的細(xì)胞；即使得到含有重組DNA的細(xì)胞，還要進(jìn)行大量增殖，得到相應(yīng)表達(dá)的功能蛋白，讓作物得到預(yù)想的特性；即使得到了預(yù)想的特性，還要經(jīng)過常規(guī)育種中的雜交、回交等多年試驗，獲得可以穩(wěn)定遺傳的優(yōu)良性狀。單基因遺傳的較容易做到，多基因遺傳的就十分復(fù)雜了。 在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因育種中，即使是育成了品種，能夠拿到相應(yīng)的轉(zhuǎn)基因安全證書，也不能夠在市場上推廣和應(yīng)用，我國對轉(zhuǎn)基因品種的管理有嚴(yán)格的檢測和控制程序，普通的非轉(zhuǎn)基因品種也要做轉(zhuǎn)基因檢測。而對于多年后，應(yīng)用過CRISPR/Cas9技術(shù)產(chǎn)生的品種是否要接受國家已有法律政策的監(jiān)管。“基因組進(jìn)行植物育種可以不引入外源基因，這也導(dǎo)致定義轉(zhuǎn)基因生物的不明確性。”盧洪說，“國家在這方面仍需要制定相關(guān)的政策和實施細(xì)則，但作為一項新興技術(shù)，國內(nèi)國際都站在差不多的起點上，作為技術(shù)儲備，需要更大投入。” |
為時代進(jìn)步積蓄能量
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王澎 納米技術(shù)、核技術(shù)、航天技術(shù)、基因技術(shù)，這些高大上的技術(shù)似乎與我們的生活相距甚遠(yuǎn)。然而，殊不知日常生活中使用的很多金屬、陶瓷、半導(dǎo)體或符合聚合材料都與納米技術(shù)的研究息息相關(guān)；每天所用的電器設(shè)備有一部分有核能發(fā)電供應(yīng)電能；火星探測和登月計劃看似離我們很遠(yuǎn)，但這卻是未來解決地球人口爆炸、環(huán)境壓力的一個重要方向；同樣的，基因技術(shù)也是人類掌握遺傳秘密，戰(zhàn)勝疾病鑰匙。這些高精尖技術(shù)的研究無一不耗費著巨大的人力物力，雖然很多研究難以在短時間內(nèi)獲得回報，但仍然有一群執(zhí)著的研究人員，將自己的青春與熱情奉獻(xiàn)其中，他們就是技術(shù)爆炸的引線，他們在為時代進(jìn)步積蓄能量。 工業(yè)革命以來，技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)爆炸趨勢，在生物技術(shù)領(lǐng)域更是如此。傳統(tǒng)農(nóng)作物育種方式培育一個新品種少則七八年，多則十幾年，眾多育種家窮盡一生去 |
培育一個優(yōu)秀的品種。“搞育種的人都長壽”，看似是一句笑談，卻反映出育種家們的巨大付出。 尖端技術(shù)的研發(fā)是必要的不能停滯的，而其應(yīng)用也是需要一個過程的，這個過程也許很漫長，也許會出現(xiàn)問題遇到瓶頸，但無疑對社會有巨大價值的。我們要為扎根在實驗室的研究人員喝彩，是他們的不懈努力讓普通人感受到了科技的力量和時代的步伐。 |
基因編輯技術(shù)正在到來
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這不是CRISPR/Cas9這項明星技術(shù)第一次得到人們的關(guān)注。在此之前，有著“豪華版”諾獎之稱的“2015年度生命科學(xué)突破獎”頒發(fā)給了發(fā)現(xiàn)基因組編輯工具“CRISPR/Cas9”的兩位美女科學(xué)家。二人更是獲得了2015年度化學(xué)領(lǐng)域的引文桂冠獎——素有諾獎“風(fēng)向標(biāo)”之稱，曾被認(rèn)為是今年諾貝爾化學(xué)獎的最有力競爭者。 那CRISPR/Cas9到底是一項什么技術(shù)，為何能夠獲得如此這般青睞，又何以在短短兩三年時間內(nèi)，發(fā)展成為生物學(xué)領(lǐng)域最炙手可熱的研究工具之一，并有近700篇相關(guān)論文發(fā)表？它將來又會如何影響到我們的生活？ CRISPR/Cas9是繼“鋅指核酸內(nèi)切酶”、“類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶”之后出現(xiàn)的第三代“基因組定點編輯技術(shù)”。與前兩代技術(shù)相比，其成本低、制作簡便、快捷高效的優(yōu)點，讓它迅速風(fēng)靡于世界各地的實驗室，成 |
為科研、醫(yī)療等領(lǐng)域的有效工具。 從此，形成了開發(fā)利用CRISPR的研究熱潮，如今CRIS-PR研究已經(jīng)風(fēng)靡科學(xué)界。隨著CRISPR/Cas9技術(shù)在人類與動物細(xì)胞系中建立并應(yīng)用，經(jīng)過改造的CRISPR/Cas9系統(tǒng)也迅速地被應(yīng)用到擬南芥、煙草、高粱、水稻、小麥、玉米等不同植物基因組的定向編輯研究中，并且獲得較高的誘導(dǎo)突變率和可穩(wěn)定遺傳的基因編輯植株。 王文嫣王宙潔 |
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CRISPR/Cas系統(tǒng)的靈感來源 CRISPR/Cas9技術(shù)的靈感來源于細(xì)菌的一種獲得性免疫系統(tǒng)。與哺乳動物的二次免疫應(yīng)答類似，細(xì)菌在抵抗病毒或外源質(zhì)粒入侵時，會產(chǎn)生相應(yīng)的“記憶”，來抵抗該種外源遺傳物質(zhì)的再次入侵，而這種獲得性免疫正是由細(xì)菌的CRIS-PR/Cas系統(tǒng)實現(xiàn)的。在細(xì)菌的基因組上，存在著串聯(lián)間隔排列的“重復(fù)序列”，這些重復(fù)序列相對保守，我們稱之為CRISPR序列。 “打靶”效率將越來越高 在CRISPR/Cas9技術(shù)中，我們把即將被編輯的細(xì)胞基因組DNA看作病毒或外源DNA?；蚓庉嫷膶崿F(xiàn)只需要兩個工具——向?qū)NA和Cas9蛋白。 |
保守的PAM序列，而且向?qū)NA要與PAM上游的序列堿基互補配對。 對于DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存在著DNA損傷修復(fù)的應(yīng)答機制，會將斷裂上下游兩端的序列連接起來，從而實現(xiàn)了細(xì)胞中目標(biāo)基因的敲除。 而DNA片斷的插入或定點突變的實現(xiàn)，只需在此基礎(chǔ)上為細(xì)胞提供一個修復(fù)的模板質(zhì)粒，這樣細(xì)胞就會按照提供的模板在修復(fù)過程中引入片段插入或定點突變，對受精卵細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，并將其導(dǎo)入代孕母體中，可以實現(xiàn)基因編輯動物模型的構(gòu)建。當(dāng)然，CRISPR/Cas9技術(shù)的成功率并非百分之百，隨著科研人員不斷對Cas9蛋白的優(yōu)化改造，對靶基因識別特異性的增強，CRISPR/Cas9技術(shù)的“打靶”效率將不斷提高。 |
