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隶属于麻省理工学院和哈佛大学的世界著名生物医学研究机构Broad研究所宣布,美国专利局批准了由他们所申请的基于CRISPR-Cas9系统的基因编辑技术专利。这是目前世界第一例获得专利保护的基于CRISPR-Cas9系统的基因编辑技术。

CRISPR-Cas9系统

正在生物体内发挥功能的CRISPR-Cas9系统。

所谓基因编辑技术,是指对DNA核苷酸序列进行删除和插入等操作,换句话说,基因编辑技术使得人们可以依靠自己的意愿改写DNA这本由脱氧核苷酸写而成的生命之书。然而长期以来,对DNA的编辑只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式来对DNA进行编辑。然而这些方法要么编辑位置随机,要么需要花费大量人力物力进行操作。因此,能够方便而精确的对DNA和核苷酸序列进行编辑,是科研工作者们长期以来的梦想。CRISPR-Cas9系统的诞生和成熟标志这这一梦想逐渐变为现实。此外不仅仅在科研界,在诸如医疗、农业、畜牧业等研究中,这一技术也显现除了巨大的应用前景。因此,这一技术获得专利,是该技术走向应用的里程碑式事件。

从细菌免疫系统到DNA编辑工具
CRISPR-Cas9系统并非天生就是为人类使用而产生的。它的本质其实是细菌中一种对付诸如病毒等外来DNA的防御系统。在一些细菌基因组中存在一系列成簇排列的DNA序列,被称作“规律间隔成簇短回文重复序列”(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR)。这些重复序列的间隔序列,被发现和很多能够侵入细菌的噬菌体DNA序列相同。进一步研究发现,这些序列在被转录成为RNA后,能够和细菌产生的一类称为Cas的蛋白质形成复合体,来对Cas蛋白起到导向作用,因此这段RNA也被称为导向RNA(guide RNA,gRNA)。当复合体检测到入侵的DNA和gRNA序列一致时,Cas蛋白就能够切割入侵的DNA,达到防御的目的。

注:严格来说,在细菌体内gRNA由两部分组成:一部分为活化Cas蛋白所需的tracrRNA,另一部分为来自于间隔区、识别入侵DNA的crRNA。在人工构建的CRISPR-Cas9系统载体中,这两段RNA可融合为一条。

CRISPR-Cas系统这种序列特异性的DNA切割机制很快引起了人们的兴趣。由于这一系统能够切割DNA,并且其序列特异性由crRNA的序列所决定,因此它成为了DNA编辑的理想工具。细菌中的CRISPR-Cas系统极为多样,而一个来自产脓链球菌(Streptococcus pyogenes)的由Cas9蛋白参与的系统被人们研究的最为透彻。因此人们对它进行了改造,将编码Cas9蛋白的序列及其附属元件共同制造成为一个单一的载体。同时为了能够让这些组分进入真核细胞的细胞核,还加入了入核信号元件。这样一来,只要科研人员只需针对需要编辑的DNA序列合成一段DNA序列,插入这个载体的特定部位。在转入宿主细胞后,产生的人工构建的gRNA就能指导Cas9蛋白切割宿主细胞特定的DNA序列,从而起到基因编辑的作用。

DNA编辑的广泛前景
CRISPR-Cas9系统,被称为第三代基因编辑技术。相比于它的两位前辈ZFN系统和TALEN系统,它有着一些无可比拟的优点。首先,CRISPR-Cas9系统的可用位置更多。理论上基因组中每8个碱基就能找到一个可以用CRISPR-Cas9进行编辑的位置,可以说这一技术能对任一基因进行操作,而TALEN和ZFN系统则在数百甚至上千个碱基中才能找到一个可用位点,这大大限制了使用范围。其次,CRISPR-Cas9系统更具有可拓展性,例如可以通过对Cas9蛋白的修饰,让它不切断DNA双链,而只是切开单链,这样可以大大降低切开双链后带来的非同源末端连接造成的染色体变异风险。此外还可以将Cas9蛋白连接其他功能蛋白,来在特定DNA序列上研究这些蛋白对细胞的影响。第三,更为重要的是,CRISPR-Cas9系统的使用极为方便,只需要简单的几步就能完成,几乎任何实验室都可以开展工作,而不需要向ZFN和TALEN那样借助商业公司的协助完成。由于以上特点,CRISPR-Cas9被评为2013年生物学10大突破之一。值得说明的是,CRISPR-Cas9系统在真核细胞中很多重要的研究,都是由华人学者张峰主持完成的。

由于来源于细菌的CRISPR-Cas9系统在真核细胞内也能很好的工作,这显示出了其巨大的应用潜力。例如在基础科学研究领域,CRISPR-Cas9系统最多的是被用来定点敲除一些基因,从而便于研究这些基因的生物学功能。同时CRISPR-Cas9系统的商业化应用潜力也不容小视。例如在生物治疗领域,结合诱导多能干细胞(iPS)技术,人们可以将通过基因编辑修复的iPS细胞重新发育为正常组织和器官来供病人使用。而在家畜育种等工作中,对一些关键性状基因的编辑能够大大加快良种的育种速度。