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什么是caspr?

什么是caspr?

CRISPR是一种用于编辑基因组的强大工具,这意味着它允许研究人员轻松改变DNA序列并改变基因功能。它具有许多潜在的应用,包括纠正遗传缺陷,治疗和预防疾病的传播,以及提高作物的生长和韧性。然而,尽管其承诺,但该技术也提出了道德问题。

通常情况下,“CRISPR”(发音为“crisper”)是“CRISPR- cas9”的缩写。CRISPRs是特殊的延伸脱氧核糖核酸,和蛋白质cas9 - Cas代表“CRISPR相关” - 是一个这与一对分子剪​​刀一样,能够切割DNA的股线。

CRISPR技术得到了自然防御机制的调整细菌古生菌,一个相对简单的单细胞微生物领域。这些生物使用crispr衍生的基因核糖核酸它是DNA的分子表亲,还有各种各样的Cas蛋白来抵御攻击病毒.为了弥补攻击,生物体切断病毒的DNA,然后在自己的基因组中占据该DNA的比特,以作为这些病毒再次攻击外国入侵者的武器。

当CRISPR的组分转移到其他,更复杂,生物体中时,那些组分可以操纵基因,一种称为“基因编辑”的过程。没有人真正知道这一过程在2017年之前看起来像是由日本神泽大学的Mikihiro Shibata领导的研究人员和东京大学的Hiroshi Nishimasu的研究人员表现出来,这是第一次Casrpr在行动中,雷竞技首页现场科学以前报道

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CRISPR的关键组成部分

DNA是一种双链分子,其“梯级”由两种碱基对之一组成:腺嘌呤与胸腺嘧啶或胞嘧啶与鸟嘌呤配对。 (图片来源:在上面)

CRISPRs:术语“CRISPR”代表“定期间隙的短语重复簇”,并描述了由所谓的“间隔物”的短,重复序列组成的DNA区域,每次重复之间夹在一起。

当我们在遗传密码中谈论重复时,我们正在谈论DNA分子螺旋梯内梯级的排序。每个梯度含有两个化学碱基:含有称为腺嘌呤(a)的基础,其直接含有胸腺嘧啶(t),以及含有胞嘧啶(c)的基础鸟嘌呤(g)对。

在CRISPR区域,这些碱基以相同的顺序出现多次,在这些重复的片段中,它们形成了所谓的“回文”序列,根据Max Planck Institute.像“racecar”这个词一样的回文,后向前读取相同的向前;类似地,在媒体序列中,当您在相反方向上读取它们时,DNA梯子一侧的碱基匹配。

例如,超级简单的回文序列可能如下所示:

  • 1 - GATC
  • 侧2 - CTAG

短回文重复出现在DNA的CRISPR区域,每个重复被“间隔”隔开。细菌从攻击它们的病毒那里夺走这些间隔,这意味着它们将一些病毒DNA合并到自己的基因组中。这些间隔体就像一个记忆库,使细菌在病毒再次攻击时能够识别它们。你也可以把间隔者想象成“通缉犯”海报,提供坏人的快照,以便他们很容易被发现并绳之以法。

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食品配料公司Danisco的Rodolphe Barrangou和一组研究人员首次通过实验证明了这一过程。在一个2007纸在研究人员使用的杂志上发表乳酸链球菌细菌,常见于酸奶和其他乳制品文化,作为他们的模特,据联合基因组研究所该公司隶属于美国能源部。他们观察到,在病毒攻击后,细菌将新的间隔体整合到它们的CRISPR区域。此外,这些间隔体的DNA序列与病毒基因组的部分相同。

该团队还通过去除它们并在其位置插入新的病毒DNA序列来操纵垫片。通过这种方式,研究人员能够改变细菌对特异性病毒的攻击的抵抗力,证实了Crisprs在调节细菌免疫方面的作用。

CRISPR RNA(CRRNA):DNA的CRISPR区域充当一种病毒记忆库;但对于该存储的信息,在细胞中的其他地方有用,必须将其复制或“转录”进入称为RNA的不同遗传分子。与保持在DNA分子内的DNA序列不同,这种CRISPRRNA(CRRNA)可以漫游细胞并与蛋白质组合 - 即将病毒缩合到比特的分子剪刀。

RNA也不同于DNA,它只有一条链,而不是两条,这意味着它看起来就像梯子的一半。为了构建一个RNA分子,CRISPR的一部分充当模板,一种叫做聚合酶的蛋白质俯冲而入,构建一个与该模板“互补”的RNA分子,这意味着两条链的碱基将像拼图一样拼接在一起。例如,DNA分子中的G会被转录为RNA中的C。

每个CRISPR RNA片段都包含一个重复序列的副本和一个来自DNA CRISPR区域的间隔序列2014年评论Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier在学报上发表。CRRNA与Cas9蛋白和另一种RNA相互作用,称为“反式激活CRRNA”或TRACRRNA,以帮助细菌抵抗病毒。

Cas9:Cas9蛋白是切割异物DNA的酶。该蛋白质与CRRNA和TRACRRNA结合,将CAS9引导至病毒的DNA链中的靶位点,其中蛋白质将切割。Cas9将切割通过CRRNA的20核苷酸延伸的靶DNA,其中“核苷酸”是含有一个碱的DNA的结构块。

根据2014年发表在《科学》杂志上的文章,Cas9利用其结构上的两个独立区域或“域”,切断DNA双螺旋的两条链,形成所谓的“双链断裂”。

有一种内置的安全机制,可确保Cas9不仅仅在基因组中的任何位置切割。称为“原始晶圆形的基序基序”或PAM的短DNA序列用作标签并与靶DNA序列相邻。如果CAS9复杂在其目标DNA序列旁边没有看到PAM,则不会切割。根据2014年评论发布的2014年评论自然生物技术

CRISPR作为基因组编辑工具是如何工作的

以下是CrispRup Chee编辑工作原理的细分。 (图片信用:通过Getty Images TTSZ)

基因组在其DNA序列中编码一系列消息和指令,并且基因组编辑涉及改变那些序列,从而改变它们包含的消息。这可以通过在DNA中插入切割或断裂并欺骗细胞的天然DNA修复机制来完成引入靶向变化。CRISPR-CAS9提供了这样做的手段。

2012年,两个关键的研究论文发表在期刊科学和PNA.,描述了细菌CRISPR-CAS9如何用于切碎任何DNA,而不仅仅是病毒。通过这种方式,自然CRISPR系统可以转化为简单,可编程的基因组编辑工具。

为了直接Cas9捕获DNA的特定区域,科学家可以简单地改变CRRNA的序列,所述CRRNA的序列与靶DNA中的互补序列结合在一起。在2012年的科学文章,Martin Jinek及其同事进一步简化了通过融合CRRNA和TRACRRNA来创建单一的“导向RNA”系统。因此,基因组编辑仅需要两个组分:引导RNA和Cas9蛋白。

“操作地,您设计了一个与您要编辑的基因相匹配的20个基对的延伸,其中一个人可以弄清楚哈佛医学院遗传学教授乔治教堂的互补CRRNA序列,告诉实时科雷竞技首页学。教堂强调了确保仅在靶基因中发现核苷酸序列的重要性,并且在基因组中无处可选。

“那么RNA加上蛋白质[Cas9]将切割 - 就像一对剪刀 - 那个地方的DNA,理想情况下,”教会解释说。一旦切割DNA,细胞的天然修复机制踢进并工作将DNA倒在一起,并且此时可以对基因组进行编辑。有两种方式可能发生:

根据亨廷顿在斯坦福大学的外展项目,一种修复方法涉及将两条切割粘在一起。这种方法,称为“非同源终端连接”,倾向于引入核苷酸意外插入或删除的误差,导致突变这可能破坏基因。

在第二种方法中,通过用核苷酸序列填充缺口来固定缺口。为了做到这一点,细胞使用短链DNA作为模板。科学家可以提供他们选择的DNA模板,从而写入他们想要的任何基因,或纠正突变。

谁发现了CRISPR?

研究人员首先在大肠杆菌中发现了Crisprs的典型核苷酸重复序列和间隔序列,这是扫描电子显微图像中的一个簇。 (图片信用:Callista图像/ Getty Images)

科学家最初是在1987年在细菌中发现CRISPRs的,但他们最初并不了解DNA序列的生物学意义,他们也没有把它们称为“CRISPRs”,据广达杂志报道.日本大阪大学的Yoshizumi Ishino和同事首先发现了肠道微生物中的特征核苷酸和垫片大肠杆菌上世纪90年代,随着基因分析技术的改进,其他研究人员在许多其他微生物中发现了CRISPRs。

西班牙阿利坎特大学(University of Alicante)的科学家弗朗西斯科·莫希卡(Francisco Mojica)是第一个描述CRISPRs的独特特征的人,他在20种不同的微生物中发现了这种序列2016年报告发表在《细胞》杂志上。在某一时刻,他将这些序列命名为“短周期重复序列”(srrs),但他后来建议将它们命名为CRISPRs。CRISPR一词首次出现在2002年的报告中由乌得勒支大学(Utrecht University)的路德·詹森(Ruud Jansen)撰写,莫希卡一直在与他通信。

在接下来的几年中,科学家们还发现了CAS基因和CAS酶的功能,并据了解Crisprs中的间隔来自侵袭性病毒,量子据报道。

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的生物化学、生物物理学和结构生物学教授詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)就是这些开创性研究人员中的一员,她后来分享了2020年的成果诺贝尔化学奖与马克斯·普朗克病原体科学研究中心主任艾曼纽·卡彭迪埃合作。Live Science此前报道称,这两位科学家将细菌CRISPR/Cas系统改造成了方便的基因编辑工具。雷竞技首页

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Charpentier最初在研究细菌的同时发现Tracrrna链球菌Pyogenes,这导致一系列来自扁桃体炎到败血症的疾病。未发现TRACRRNA作为CRISPR / CAS系统的先前未知的组成部分,Charpentier开始与Doudna合作,以在试管中重新创建该系统。2012年,该团队发表了他们的精英工作在“科学”期刊上,宣布他们成功地将分子剪刀简化为基因编辑工具。

一些人认为布罗德研究所的生物化学家张峰也可能因为他自己的CRISPR系统的独立研究而获得诺贝尔奖,《科学》杂志报道.张展示了克里普尔系统在哺乳动物细胞中工作,基于这项工作,广泛的研究所赢得了使用CRISPR基因编辑技术的第一专利真核生物或用细胞核或复合细胞保持其DNA。

CRISPR是如何被使用的?

(图片信用:Keith Chambers / Science Photo Library通过Getty Images)

2013年,教堂和张实验室的研究人员发表了描述使用CRISPR-CAS9在实验环境中编辑人类细胞的第一份报告。在人类疾病的实验室盘和动物模型中进行的研究表明,该技术可以有效地纠正遗传缺陷。这种疾病的实例包括囊性纤维化,白内障和FANCONI贫血症2016年评论文章发表于自然生物技术的杂志。这些研究已经为人类的治疗应用铺平了道路。

在医学领域,CRISPR在早期的临床试验中被视为癌症治疗,作为遗传疾病的治疗,导致失明。它也被调查为防止蔓延的策略莱姆病和疟疾从病毒载体到人们,也是在艾滋病毒的动物模型中研究的一种方法,以传染病毒感染细胞,雷竞技首页现场科学以前报道.中国的一支研究团队试图使用CRISPR治疗人类患者的艾滋病毒,而治疗在治疗感染方面没有成功,但基因治疗也没有造成任何有害影响,雷竞技首页Live Science报道

纽约基因组中心(New York Genome Center)的内维尔·桑贾纳(Neville Sanjana)是纽约大学(New York University)生物学、神经科学和生理学助理教授。“这无疑是一种令人兴奋的可能性,但这只是一小部分。”

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CRISPR技术也已在食品和农业产业中应用于工程师益生菌培养物,并针对病毒疫苗(例如,酸奶)疫苗。它还用于农作物,以提高产量,耐旱性和营养特性。

一个其他潜在的应用程序是创建基因驱动,一种基因工程技术,可以增加特定性状从父母遗传给后代的机会;这种基因工程源于一种自然现象,基因的特定版本更有可能被遗传。最终,在几代人的过程中,这种特征会在整个种群中传播WYSS学院.根据2014年发表在该杂志上的一份报告,基因驱动可以用于各种应用,如根除入侵物种或逆转作物对杀虫剂和除草剂的耐药性科学

在Covid-19大流行期间,CRISPR-CAS9系统已被用于为病毒感染开发各种诊断测试,报道BBC新闻

此外,Crispr最近通过以下方式使用:

  • 2017年4月,一组研究人员在《科学》(Science)杂志上发表了一项研究,称他们已经编程了一个CRISPR分子,以在血清、尿液和唾液中发现寨卡病毒等病毒株。
  • 2017年8月2日,科学家们在他们拥有的杂志中透露利用CRISPR成功移除了一个胚胎的心脏病缺陷
  • 2018年1月2日,研究人员宣布他们可能能够阻止真菌和威胁巧克力生产的其他问题,以使植物更抗病。
  • 2018年4月16日,研究人员升级了CRISPR,据介绍日志生物新闻

但是,尽管它的用途广泛,但该工具并非没有其缺点。

“我认为CRISPR的最大限制是它不是百分之百的效率,”Church告诉Live Science。雷竞技首页这意味着,在给定的实验中,CRISPR可能只能成功编辑目标DNA的一部分。根据Doudna和Charpentier 2014年发表在《科学》杂志上的文章,在一项水稻研究中,接受Cas9-RNA复合物的细胞中有近50%发生了基因编辑。与此同时,其他分析表明,根据目标的不同,编辑效率可高达80%或更多。

当DNA在预期目标以外的位点切割DNA时,该技术还可以创造“偏移目标效果”。这可能导致引入意外的突变。此外,教会注意到,即使系统削减目标时,也有可能无法获得精确的编辑。他称这个“基因组故意主义”。

潜在风险和使用CRISPR的伦理问题

CRISPR技术的许多潜在应用提出了关于篡改基因组的道德效果和后果的问题。特别是,在深圳南部科技大学的生物物理学家们宣布他的团队在人类胚胎中宣布,他的团队在人类胚胎中编辑了DNA,并因此创造了世界上第一个基因编辑的生物物理学家婴儿。

他随后被判处三年监禁,罚款300万元(56万美元),罪名是无证行医,违反中国有关人类辅助生殖技术的规定,并伪造伦理审查文件。雷竞技首页现场科学以前报道.但即使在他的判决之后,他的实验也会提出了关于如何监管​​CRISPR的问题,特别是这项技术仍然是新的。

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科学家说,人类胚胎的非法实验代表了极度滥用的误用,但即使是该技术的看似伦理用途也可以带来风险。

一般来说,对人类胚胎和生殖细胞(如精子和卵子)进行基因修改被称为生殖系编辑。由于这些细胞的变化可以传递给后代,使用CRISPR技术进行生殖系编辑引发了许多伦理问题。

可变功效,偏离目标效果和不精确的编辑所有姿势安全风险。此外,科学界还有很多仍然不为人知。在2015年的文章发表于科学,大卫巴尔的摩和一群科学家,伦理学家和法律专家们注意,种系编辑提出了对后代意外后果的可能性“因为我们对人类遗传,基因环境相互作用和途径有限疾病(包括同一患者的一种疾病和其他病症或疾病之间的相互作用)。“

在2014年发表在《科学》杂志上的文章中,Oye和他的同事指出了使用基因驱动的潜在生态影响。通过杂交,引入的性状可以传播到目标种群以外的其他生物体。基因驱动也可能减少目标群体的遗传多样性,潜在地阻碍其生存能力。

其他的道德问题则更为微妙。我们是否应该在未征得后代同意的情况下做出可能从根本上影响后代的改变?如果生殖细胞编辑的使用从一种治疗工具转变为一种增强各种人类特征的工具会怎样?

为了解决这些问题,美国国家科学、工程和医学研究院(National Academies of Sciences, Engineering and Medicine)将一个具有指南和建议的综合报告对于基因组编辑。

虽然国家学院敦促在追求种系编辑方面谨慎,但他们强调“小心并不意味着禁令”。他们建议种系编辑仅在导致严重疾病的基因上进行,只有在没有其他合理的治疗方法时。在其他标准之外,他们强调需要收集有关健康风险和益处的数据,并在临床试验期间保持持续的监督。他们还建议,在审判结束后,审判组织者应该跟进与会者的家庭,以便多个代代来看看随着时间的推移在基因组中持续的变化。

额外资源

本文包括Alina Bradford,Live Science Constorcor的额外报告。雷竞技首页

最初发表在Live Science上。雷竞技首页

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