中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 生命科學的迅速發(fā)展使得我們從生物遺傳信息的“讀取”階段進入到后基因組時代，基因組的“改寫”乃至“全新設計”正逐漸成為現(xiàn)實。以設計創(chuàng)造新生命體為目標的合成生物學在此背景下迅速發(fā)展，并在醫(yī)藥、制造、能源等領域顯現(xiàn)了巨大的應用前景。基因組的從頭合成和針對天然基因組的規(guī)模改造分屬合成基因組學和基因編輯領域，均為當前合成生物學研究的熱點。合成基因組學涉及基因組的從頭設計、構建和功能表征等，屬于自下而上的生物學研究策略；而基因編輯側重于通過對現(xiàn)有基因組進行刪除、替換、插入等分子操作，進而改寫遺傳信息，屬于自上而下的生物學研究策略。以上兩者的有機結合將極大地推動生物制造、疾病治療等領域的革新；同時二者也將為后基因組時代，功能基因組學的研究提供強有力的技術手段。新生命體系的從頭設計與合成不僅需要基因組序列的合成、拼接及轉移等技術，也需要高效率、低脫靶率的編輯技術以實現(xiàn)在基因組上進行大規(guī)模的編輯改造。在不斷的探索研究中，基因編輯技術已經(jīng)從最初依賴細胞自然發(fā)生的同源重組，發(fā)展到幾乎可在任意位點進行的靶向切割，其操作的簡易和高效極大地推動了物種遺傳改造的發(fā)展。基因編輯可為合成生命的進一步改造提供手段，為新物種的創(chuàng)造提供更多的可能性。

基因編輯的原理

基因編輯技術是對生物體?DNA?斷裂的現(xiàn)象及其修復機制的應用。作為一種常見的分子生物學事件，在分裂活躍的哺乳動物細胞中，DNA?雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks，DSBs）每天會發(fā)生。DSBs?發(fā)生后細胞可以通過多種方式進行修復，包括經(jīng)典的非同源末端修復（non-homologous end joining，NHEJ），選擇性末端修復（alternative end joining，a-EJ），單鏈退火修復（single-strand annealing，SSA）和同源重組修復（homologous recombination，HR）。HR?可以進行精確無誤的修復，但是需要同源模板的存在；NHEJ?則是將很大程度上沒有同源性的兩個?DNA?末端直接連接實現(xiàn)修復^[7]，此過程中，兩個末端在大多數(shù)情況下都會發(fā)生若干核苷酸的缺失，是一種不精確的修復機制。而作為輔助性的修復機制，a-EJ?和?SSA?均需要更大幅度的末端單鏈切除，這也會導致遺傳信息的丟失。基于?DNA?斷裂修復的原理，如果在細胞中人為提供特定的同源重組模板，待目標?DNA?自然發(fā)生或者人為誘導產(chǎn)生?DSBs，觸發(fā)同源重組修復，就有機會把特定?DNA?序列進行刪除或者插入外源基因。在不提供同源模板的情況下，利用?NHEJ、a-EJ?及?SSA?的不精確修復機制可以實現(xiàn)基因的突變和敲除。傳統(tǒng)的基因編輯借助細胞內自然發(fā)生的?DSBs?實現(xiàn)靶向整合，達到基因敲除、替換等目的。然而，在真核生物細胞里面，通過自發(fā)雙鏈斷裂實現(xiàn)目的基因編輯的概率通常低至百萬分之一。人為使用化學誘導劑或者輻射處理等方法，或者使用轉座子技術也可以實現(xiàn)基因的突變，但是這些突變是隨機的，需要后續(xù)進行大量的篩選工作來獲得所需的基因型。定點基因編輯技術是進行基因功能研究和物種定向改造的優(yōu)選策略。

相關文章