诺奖获得者Jennifer亲自科普基因编辑技术

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诺奖获得者Jennifer亲自科普基因编辑技术

导读

Jennifer Doudna的TED科普视频

遗传学家Jennifer Doudna与其同事Emmanuelle Charpentier共同发明了一种名为CRISPR-Cas9的基因编辑新技术。并荣获了2020年诺贝尔化学奖。该工具允许科学家对DNA链进行精确编辑,有望实现对遗传疾病的治疗。自公布至今,很多的媒体和公众号对该技术进行了解读,但是读完我觉得有的或许太专业,有的或许太过于简略。本次TED推送,让Jennifer Doudna本人给大家做一次科普,细腻的文字定会让你会回味无穷。小编搜罗整个网络,找到了一些特容易理解的视频讲解,并且贴心的给大家加上了中文字幕。目的只有一个:让大家都看得懂。

总览CRISPR

诺奖获得者Jennifer亲自科普基因编辑技术

CRISPR的视图展示

CRISPR技术让科学家可以改变细胞里的DNA,从而让我们能够治愈基因疾病。你可能会有兴趣知道,CRISPR技术其实来自于一个基础的科学研究,它的主要目的是了解细菌如何对抗病毒感染。细菌必须在它们的环境里对付病毒我们可以这么想,病毒感染就像个定时炸弹,细菌在被毁灭前,只有几分钟时间可以拆除炸弹。很多细菌在它们的细胞里有一种适应性免疫系统(adaptive immune system)叫作CRISPR,可以帮助细菌检测到病毒DNA并消灭它。CRISPR系统中,有一部分是种叫Cas9的蛋白质,它能够以特殊的方式寻找出、剪断,最后降解病毒DNA。而我们就是在试图了解Cas9蛋白质功能活动的研究中,意识到可以利用它,作为一种基因工程技术——一种可以让科学家用难以置信的精准度在细胞中消除或插入特定DNA片段——这项技术提供了一个前所未有的机会,让我们可以做到在过去根本无法实现的事情。

CRISPR技术已经被应用于在老鼠、猴子和其他有机体上(新获诺奖的“基因魔剪”还可以拿来定制宠物小猪,复苏灭绝的猛犸象?)。中国科学家最近发现,他们甚至可以利用CRISPR技术改变人类胚胎里的基因。费城的科学家证实,他们可以利用CRISPR 技术从一个感染的人类细胞中移除HIV病毒(人类免疫缺陷病毒 )。

详解CRISPR

机理最清楚的视频(配字幕)看完这个视频,再读文章

当病毒感染一个细胞,它们会插入自身的DNA。在一个细菌中,CRISPR系统可以把病毒的DNA拔出,并且将其中一小段插入到染色体内——也就是细菌的DNA。而这些成簇的病毒DNA会被插入到一个名为CRISPR的位点。CRISPR意思是“规律成簇的间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)”。很绕口—这下你们就知道为什么我们要使用CRISPR的缩写了。CRISPR是一种机制—它允许细胞随时记录被感染到的病毒。而且重要的是,这些片段DNA会遗传到细胞的后代,所以细胞不只有一代能被保护不受病毒感染,而是许多代细胞都会如此。这允许细胞持有受感染的记录,CRISPR的基因座其实上就是细胞的一张基因疫苗接种卡(genetic vaccination card)。

诺奖获得者Jennifer亲自科普基因编辑技术

图文配合阅读

一旦这些片段DNA被插入到细菌染色体内,细胞就会复制出一小段叫RNA的分子,就是图片上橘色的部分,它就是病毒DNA的复制品。RNA相当于DNA的化学表亲,能够与DNA序列配对反应。所以这些从CRISPR 基因座转录的RNA片段,会与一种叫Cas9的蛋白质相结合,也就是图片上白色的部分,这个复合体就像是细胞的卫兵。它会搜寻细胞里所有的DNA,找到符合所结合的RNA序列的位点。当这些位置被找到后——就是你们看到的蓝色DNA分子,这个复合体会与DNA结合,并允许 Cas9蛋白质剪断病毒DNA。这是一次非常精确的切割。

 

所以我们可以把Cas9 RNA标记复合体想像成是一把DNA剪刀——它在DNA螺旋结构中,制造了一种“双股螺旋断裂(double-stranded break)”。最重要的是,这种复合体是可程式化的,在程式化后可以用来辨认特定的DNA序列,并且在DNA的特定位置制造一个断裂。我们已经意识到这个技术可以被利用在基因工程中,断裂处使细胞内的DNA产生一个非常精准的变化。这个方式有点类似于我们使用文字处理软件在一个文档中修改错字一样。

诺奖获得者Jennifer亲自科普基因编辑技术

像是修改错别字一样的crispr
我们意识到CRISPR系统可以被用于基因组工程的原因是,细胞具有检测损坏的DNA,并修复它的能力。所以当一个植物或动物细胞在它的DNA中检测到双股螺旋断裂时,它可以修复这种断裂,把破裂的DNA尾端接合在一起,并只产生微小的变化,或者,也可以借由在该位置处聚集新的DNA片段来修复断裂。所以如果我们有一种方式可以使DNA在特定位点发生“双股螺旋断裂”,通过破坏或合并新的遗传信息,我们就可以刺激细胞来修复这些断裂。所以如果我们可以程式化CRISPR技术,在DNA里制造断裂,例如,在囊性纤维化cystic fibrosis)发生突变的位置处或附近制造断裂,我们就可以刺激细胞去修复那个突变。

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切断并修复
基因工程并不是什么新技术,它在1970年代就发展起来了。我们已经拥有DNA测序技术,DNA复制技术,甚至DNA修改技术。这些技术前程无量,但问题是它们要么效率不高,要么操作太复杂,所以大部分科学家们并不在实验室采用这项技术,或是应用于临床。而CRISPR的技术相对简单,所以使用它的机会已展露曙光。旧的基因工程技术就好比每次你要安装新的软件,就要把电脑升级一次一样。而CRISPR技术就像基因组的软件,利用这些RNA小片段,我们可以简单地编辑它

 

那么一旦双股螺旋断裂在DNA中发生,我们就可以诱导修复,由此有可能达到惊人的效果,比如, 能够修正引起镰刀细胞贫血症sickle cell anemia),或引起亨廷顿氏病Huntington’s Disease)的突变。我认为CRISPR技术的第一项应用会在血液中,因为相对于坚硬组织而言,能更简单地导入细胞。目前, 人类疾病的动物模型已经运用在很多工作中,例如,老鼠。这技术可以实现非常精准的改变,使我们能够研究细胞DNA的变化,不论是对一个组织或像这个案例中的,整个有机体。在对小鼠皮肤颜色进行编辑的案例中,CRISPR技术借由在DNA里的小改变扰乱了关联这些老鼠黑色皮肤的基因。想像一下, 这些白色的老鼠与它们有色小同伴不同的原因,仅是由于在整个基因组中的一个微小变化,除此之外, 它们几乎一模一样。当我们对这些动物的基因做测序,我们确认了在基因里的变化就精准地发生在我们使用CRISPR技术的地方。

但我们也必须要思考一件事,就是CRISPR技术能被用在强化性能上。想像一下我们可以尝试设计制造人类,像是拥有更强壮的骨骼,或降低心血管疾病的诱发机率,甚至拥有我们期待已久的特征,像是不同的眼睛颜色、长得更高。“定制人”,你们也可以这么理解。目前为止,关于哪些类型的基因会有这些特征,相关的基因信息大部分仍是未知的。但了解CRISPR技术提供了我们一个很重要的可以改变现状的工具,一旦我们获得这些基因信息。这会引发一系列我们必须仔细考量的道德问题,这也是为什么要呼吁全世界暂缓任何临床上有关CRISPR在人类胚胎上的应用,给我们一些时间,让我们认真思考各种不同的CRISPR应用。实际上,在1970年代,有一个类似这样暂缓的重要例子,当时科学家们聚集在一起,呼吁暂缓使用 “分子克隆molecular cloning)”,直到那个技术可以安全有效地被验证。虽然经过基因工程改造的人类还尚未出现,但这已经不仅仅是科幻小说了。动物及植物的基因改造正在进行中。这也使我们每一个人都面临一项重大责任,来认真思考这个科技突破 可能会带来的未知后果和可预见的冲击。

 

最后让我们观看一段Nature上的一个视频,再一次回顾一下该技术的原理。

crispr技术回顾(带字幕)

参考资料:

1、nature method
2、https://www.ted.com/talks/jennifer_doudna_how_crispr_lets_us_edit_our_dna#t-242196

注:图片来源于网络。文章无商业用途,仅用来传递知识,如有版权问题,联系公众号删除。

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