Science综述:CRISPR-Cas9系统的历史和未来

【字体: 时间:2014年12月03日 来源:生物通

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  用RNA指导的CRISPR-Cas9系统的动物和植物基因组工程,正在改变着生物学。与其他基因工程工具相比,这种技术更容易使用,并且更有效,因此,在其发现后的短短几年内,就已经被应用于世界各地的实验室。2014年11月28日,著名的《Science》杂志发表综述文章,描述了这种系统的快速采用和发展历史。

  

生物通报道:用RNA指导的CRISPR-Cas9系统的动物和植物基因组工程,正在改变着生物学。与其他基因工程工具相比,这种技术更容易使用,并且更有效,因此,在其发现后的短短几年内,就已经被应用于世界各地的实验室。2014年11月28日,著名的《Science》杂志发表综述文章,描述了这种系统的快速采用和发展历史。这篇综述是由CRISPR-Cas9系统的发明者、亥姆霍兹感染研究中心(HZI)教授、德国汉诺威医学院和Umeå 大学的Emmanuelle Charpentier博士和美国加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授共同撰写。

许多疾病是由一个人DNA(组成基因的字母编码)的改变造成。一个基因中确定的字母顺序通常编码一种蛋白质。蛋白质是人体的“劳动力”,负责保持身体运转所需的几乎所有过程。当一个基因发生改变,其蛋白质产物可能就失去其正常功能,可能会导致疾病。HZI研究部门“Regulation in Infection Biology”主任Emmanuelle Charpentier教授指出:“因此,对基因组做出位点特异性改变,是阻止或治疗这些疾病一种有趣的方法。”因此,自从DNA结构被发现以来,研究人员一直都在寻找一种方式来替换遗传密码。

第一种技术,如锌指核酸酶和合成核酸,称为TALENs,是一个起点,但是被证明比较昂贵,对于初学者比较难以操作。Charpentier说:“现有的技术都依赖于蛋白质作为地址标签,为任何新变化定制新蛋白以引入DNA,是一个繁琐的过程。”在2012年,她在Umeå大学工作的时候,描述了现在正在彻底改变基因工程的技术:CRISPR-Cas9系统。

这种系统基于细菌和古细菌的免疫系统,但是在实验室也是有价值的。CRISPR是成簇的规律间隔的短回文重复序列,而Cas仅仅代表CRISPR相关的蛋白质。Charpentier说:“最初,我们发现了一种新的RNA,即tracrRNA,与CRISPR-Cas9系统相关,相关研究结果我们于2011年发表在Nature杂志。我感到兴奋的是,我实验室的Krzysztof Chylinski随后证实了一个长期的想法:Cas9是与两种RNA一起使用的一种酶。”

同时,该系统具有检测遗传编码内特定字母序列以及在特定位置切割DNA的能力。在这一过程中,Cas9蛋白起剪刀的作用,RNA小片段起地址标签的作用,确保切割发生在正确的位置。通过与Martin Jinek和Jennifer Doudna合作,该系统可以被简化,将其用作一种通用的技术。现在,用户只需要更换此RNA的序列,就能靶定基因组中几乎任何的序列。

在2012年描述CRISPR-Cas9的一般能力之后,在2013年初,有研究表明它能够像在细菌中那样,有效地作用于人类细胞。从那时起,来自世界各地的研究人员一直都大肆炒作这个新的研究领域,提出这种新工具可以用于许多新的领域。可能的应用包括:从开发基因突变所致遗传疾病的新疗法,将CRISPR-Cas系统用于抗菌“基因疗法”,到改变未来农业研究的步伐和过程,Cell子刊:基因编辑水果即将来临?,一直到开发可能的新方法抗击艾滋病毒HIV,用CRISPR编辑HPV基因杀死宫颈癌细胞

Charpentier表示:“CRISPR-Cas9系统已经突破了界限,使基因工程技术更加的通用、有效和容易。它的应用似乎真的没有什么限制。”

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9
Abstract: The advent of facile genome engineering using the bacterial RNA-guided CRISPR-Cas9 system in animals and plants is transforming biology. We review the history of CRISPR (clustered regularly interspaced palindromic repeat) biology from its initial discovery through the elucidation of the CRISPR-Cas9 enzyme mechanism, which has set the stage for remarkable developments using this technology to modify, regulate, or mark genomic loci in a wide variety of cells and organisms from all three domains of life. These results highlight a new era in which genomic manipulation is no longer a bottleneck to experiments, paving the way toward fundamental discoveries in biology, with applications in all branches of biotechnology, as well as strategies for human therapeutics.

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