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    什么是基因编辑技术?(下)

    发布时间: 2024-06-05  点击次数: 73次

    四、转录激活样效应因子核酸酶技术(TALEN)

    转录激活样效应(Transcription Activator-Like Effector, TALE)核酸酶(Nucleases, TALENs)是一种基因编辑工具,其工作原理与锌指核酸酶(ZFNs)类似,但是它们使用不同的DNA结合蛋白。TALEN是一种人工制造的蛋白质,由两部分组成:一个DNA结合域(TALE)和一个FokI核酸酶。


    1、TALE DNA结合域

    TALE蛋白是由植物病原体Xanthomonas细菌产生的,它们可以识别并结合到植物基因中的特定序列,进而改变植物的基因表达。TALE蛋白的DNA结合域由多个重复的氨基酸序列组成,每个重复序列由34(或35)个氨基酸组成,可以识别并结合一个DNA碱基。这种结构使得TALE蛋白可以高度特异地识别并结合到特定的DNA序列。TALE基序串联成决定靶向性的DNA识别模块通过与FokⅠ结构域连接,就形成了TALEN结构。


    2、TALEN技术的优点和挑战

    TALENs的DNA识别模块由一系列的转录激活样效应物(TALE)基序组成,每个基序可以识别并结合一个DNA碱基。这种一对一的识别模式使得TALENs能够非常精确地定位到基因组中的特定位置。此外,TALENs使用的FokI核酸酶与ZFNs中的相同,这也保证了TALENs有与ZFNs相当的切割效率。

    当然,TALENs也存在一些局限性。首先,由于TALENs的尺寸要大于ZFNs,因此它们在某些应用中可能会受到限制,例如,较大的尺寸可能会影响到TALENs在细胞中的传递效率。其次,TALENs的DNA识别模块包含大量的重复序列,这可能会增加在大肠杆菌中组装TALENs编码基因的难度。然而,这些问题可以通过各种策略来解决,例如使用特殊的组装方法或改进的传递系统。

    五、成簇规律间隔短回文重复序列-相关核酸酶技术(CRISPR-Cas)

    CRISPR-Cas(成簇规律间隔短回文重复序列-相关核酸酶)系统是一种在细菌和古菌中发现的自然免疫机制,用于防御病毒和外源质粒。目前这个系统已经被广泛应用于基因编辑。

    CRISPR-Cas系统主要由两个组成部分构成:CRISPR序列和Cas蛋白。

    CRISPR序列:CRISPR是一段DNA序列,由短的重复序列(repeat)和间隔序列(spacer)组成。重复序列高度保守,而间隔序列则来源于过去入侵的病毒或质粒,因此是特异的。

    Cas蛋白:Cas蛋白是一种核酸酶,能够切割DNA或RNA。Cas蛋白的种类很多,其中最著名的是Cas9蛋白,被广泛用于基因编辑。

    什么是基因编辑技术?(下)

    CRISPR-Cas系统的工作过程可以分为三个阶段:

    适应阶段:当病毒或质粒入侵时,细菌或古菌会从入侵者的基因中切割出一段DNA,然后插入到自己的CRISPR序列中,形成新的间隔序列。


    表达阶段:当同样的病毒或质粒再次入侵时,细菌或古菌会将CRISPR序列转录成RNA(称为crRNA)。这些crRNA含有来自间隔序列的部分,因此可以识别入侵者的基因序列。


    干扰阶段:crRNA会引导Cas蛋白找到并切割入侵者的基因,从而防止入侵者的复制。


    CRISPR-Cas系统的原理:

    在CRISPR-Cas9系统中,科学家们通常将crRNA和另一种名为tracrRNA的RNA被设计成一个单一的导向RNA(sgRNA)。sgRNA可以引导Cas9蛋白精确地切割目标基因。

    设计sgRNA:首先,需要设计一个sgRNA,它的目标序列与你想要编辑的基因序列相配对。sgRNA通常由一个20个核苷酸的目标序列和一个与Cas蛋白结合的骨架序列组成。


    sgRNA和Cas蛋白的结合:然后,sgRNA会结合到Cas蛋白上,形成一个sgRNA-Cas复合体。在这个复合体中,sgRNA负责识别目标DNA,Cas蛋白负责切割DNA。


    DNA识别和切割:sgRNA-Cas复合体会在细胞中寻找与sgRNA目标序列配对的DNA序列。一旦找到,Cas蛋白就会在这个地方切割DNA,产生一个双链断裂。


    DNA修复:细胞会启动自身的DNA修复机制来修复这个双链断裂。如果在双链断裂发生的地方提供一个含有所需突变的同源模板,那么在修复过程中就会将这个突变插入到基因中,从而实现精确的基因编辑。


    什么是基因编辑技术?(下)

    CRISPR-Cas系统的优点是它的操作简单,特异性高,可以在任何生物体内实现精确的基因编辑。然而,它也有一些缺点,比如可能产生非特异性切割,或者在修复过程中产生意外的突变。

    小结

    基因编辑技术已经在生物科学研究和应用中起到了革命性的作用。从早期的锌指核酸酶(ZFN)和转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)技术,到现在广泛应用的CRISPR-Cas系统,基因编辑技术的发展不仅提高了我们对生命过程的理解,也为治疗遗传疾病、改良农作物和开发新的生物技术提供了强大的工具。虽然这些技术都有各自的优点和挑战,但是它们的出现无疑已经极大地推动了生物科学的进步。相信在未来,随着基因编辑技术的进一步发展和优化,我们期待能够看到更多的基因编辑应用,从而更好地服务于人类社会。

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