上帝之手来了?——基因编辑或可治愈HIV

图文: | 2016-11-27

导语:   近日,中国广东医科大学范勇研究团队发表了关于HIV病毒免疫的人类胚胎基因编辑最新研究成果,Nature、Science等国际顶级学术杂志均在第一时间跟进报道。研究中,26个标靶胚胎中有4个被成功编辑,实现HIV免疫。消息一出,人们纷纷猜测,在未来HIV、癌症以及遗传性疾病等是否有望被治愈?基因编辑技术是否是神奇的“上帝之手”?本期微专栏,我们一起来解开这些疑问。

神奇的基因编辑技术或可治愈HIV

  基因是具有遗传效应的DNA片段,它支持着生命的基本构造和性能,储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡过程的全部信息。人体内有超过2万个基因,30亿个DNA碱基对。每个基因都是根据简单的配对规则,即腺膘呤(A)与胸腺嘧啶(T)配对、鸟膘呤(G)与胞嘧啶(C)配对,形成了双螺旋结构。

  DNA的双螺旋结构

  人体内的基因对健康有着深远影响,得益于DNA测序技术的发展,科学家们已经确定了成千上万与疾病有关的基因。随着研究的不断推进,他们不仅了解了基因的工作原理,而且掌握了控制基因的方法,即基因编辑技术。

  基因编辑技术是指对基因组进行定点修饰的一项技术,利用该技术可以实现对特定DNA片段进行敲除、加入等目的。目前,基因编辑的三大利器分别是锌指核酸酶(ZFN)、转录激活因子样效应因子核酸酶(TALEN)和最新的规律成簇间隔短回文重复序列(CRISPR/Cas9)。其中CRISPR/Cas9技术自问世以来,就有着其他基因编辑技术无可比拟的优势,它被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。

  中国广东医科大学范勇研究团队就是利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对人类受精卵进行了编辑,以改变免疫细胞的细胞膜蛋白CCR5(这是HIV病毒入侵T细胞的主要受体之一),诱导其发生被称为CCR5△32的基因突变(带有CCR5△32基因的个体能够有效抵抗艾滋病),借此期望达到免疫艾滋病的效果。此研究的结果是,26个标靶胚胎中有4个被成功编辑,从概念上证明了基因编辑技术对于HIV免疫的可能性。

  广东医科大学研究员范勇

基因编辑技术的工作机制

  CRISPR/Cas9基因编辑技术的工作机制简单来说可以分为三步:第一步记录目标DNA的信息,第二步通过向导RNA带路敲除掉目标DNA的部分片段,第三步引入来自供体的新DNA分子。

  在CRISPR/Cas9技术中,基因编辑的实现需要两个工具,即向导RNA(guide RNA,gRNA)和Cas9核酸酶。如图1所示,在待敲除目标基因的上下游可各设计一条向导RNA,即向导RNA1和向导RNA2。向导RNA1和RNA2均记录有目标DNA的信息,它们可以通过碱基互补配对的方式分别靶向目标DNA中PAM附近的目标序列,当配对完成,Cas9就会使用微小的分子剪刀剪下目标DNA片段的两端,从而使该基因上下游的DNA双链断裂。

  对于DNA双链的断裂这一生物事件,生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制,会将断裂上下游两端的序列连接起来,从而实现了细胞中目标基因的敲除。

  图1 CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理

  在敲除目标基因片段后,如果要插入新的DNA片段或实现定点突变,那么只需要在上一步的基础上添加一段携带有预期序列的DNA, 一旦CRISPR/Cas9系统的剪切完成,这个新的DNA模板就能与剪切端头配对重新组合或用新版替代原有序列。如图2所示。

  图2 CRISPR/Cas9技术插入新基因原理图

  这些基因编辑既可以在培养细胞或者干细胞中完成,也可以在受精卵中进行。如果将经过基因编辑的受精卵细胞导入代孕母体中,就可以实现基因编辑动物模型的构建,当然,也包括人类。

基因编辑技术的应用前景

  CRISPR/Cas9基因编辑技术在生物工程与生物医学方面有着广泛的应用,自2013年以来,CRISPR/Cas系统已经成功应用于人类、小鼠、斑马鱼、家蚕、果蝇、酵母、拟南芥及水稻等多个物种中。

  植物:CRISPR/Cas9基因编辑技术可作为新的作物育种技术,改良作物品种,实现抗极端环境、病虫害以及无外源DNA残留的重要农作物的快速获得,目前研究已涉及水稻、小麦、高粱、拟南芥、烟草、甜橙等植物。

  动物:CRISPR/Cas9基因编辑技术可在人类疾病动物模型的创制以及家畜育种中发挥重要作用,有助于加速猪、牛、羊等重要家畜的性状改良与分子定向育种,目前研究已涉及食蟹猴、小鼠、斑马鱼、家蚕、果蝇等动物。

  人类:CRISPR/Cas9基因编辑技术可通过对人体细胞内基因修饰的策略来治疗各种疾病,遗传病、传染病和癌症等重大疾病或可被治愈,目前研究已涉及β-地中海贫血症类遗传病、艾滋病、癌症等疾病。

基因编辑技术将何去何从

  虽然CRISPR/Cas9基因编辑技术有着广泛的应用前景,但是也有很多方面让人担忧。

  首先,CRISPR/Cas9基因编辑技术的成功率并非百分之百。向导RNA靶向序列的非特异性,以及DNA损伤修复的不确定性,都可能会导致基因组上其它位置产生未知的突变,也就是所谓的“脱靶”现象,这也是现阶段影响CRISPR/Cas9技术应用的瓶颈之一。

  其次,随着CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用研究不断深入,关于是否应该对人类胚胎进行编辑的伦理争议也越来越激烈。有些人认为,对胚胎进行编辑前景光明,因为它可以在婴儿出生前消除破坏性的遗传疾病;而有些人则认为,这样的研究跨过了伦理底线,呼吁停止使用基因编辑工具对人类生殖细胞进行改造。他们认为,利用现有技术对人类胚胎进行基因编辑,其对生殖细胞的改造是可以遗传的,因此可能会对后代产生无法预测的后果。

  对于CRISPR/Cas9这个出现才三年的新技术,我们很难预估它的未来走向,若干年后人类是可以拥有更加可靠并受到严格监管的“上帝之手”帮助我们治愈病痛,还是陷入一场两难的抉择,现在还不得而知。

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