基因编辑技术及其在疾病治疗中的研究进展

基因编辑是一种基于人工核酸酶的遗传操作技术,能精确地对DNA或RNA进行高效改造。基因编辑除了在基础研究、生物育种和药物筛选等方面展现了巨大前景之外,在疾病治疗(特别是基因遗传病)领域的前景与进展尤为引人注目。本文在介绍基因编辑技术的发展及其在疾病治疗中不同策略的基础上,重点围绕遗传疾病的基因治疗研究,综述了基因编辑技术(包括单碱基编辑和表观调控等技术)在血液系统、肝脏、肌肉和神经系统等疾病治疗的研究进展,并对基因编辑治疗疾病的未来发展进行了展望。     

基因修饰技术研究进展

基因修饰技术是用于基因组定点改造的分子工具,目前主要有锌指核酸酶(ZFN)技术、转录激活子样效应物核酸酶(TALEN)技术和CRISPR-Cas核酸酶(CRISPR-Cas)技术。这些核酸酶都可以在DNA靶位点产生双链断裂(DSB),诱发细胞内源性的修复机制,激活体内非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)两种不同的修复机制,从而实现内源基因的敲除或外源基因的定点敲入。近年来,基因修饰技术已成功应用到细菌、酵母、人类细胞、果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、家畜、食蟹猴、拟南芥、水稻、烟草、玉米、高粱、小麦和大麦等多种生物,显示了其强大的基因编辑优势。特别是新近出现的CRISPR-Cas9技术,降低了成本,使基因编辑变得简洁、高效和易于操作,得到了很多研究人员的关注。本文系统介绍了以上3种技术的原理及最新研究进展,并对未来的研究和应用做出了展望。     

基因组编辑技术在植物中的研究进展与应用前景

外源DNA导入细胞并与基因组靶基因发生同源重组可以精确修饰或替换靶基因,但在植物中产生自发同源重组的概率很低.近几年出现的人工改造核酸酶可以大幅提高同源重组的效率,实现基因组的精确、定向改造.其中,归巢核酸酶、锌指核酸酶和TALE核酸酶已在植物基因工程中得到成功应用,最近开发出来的基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术则更具有高效方便等特点.这些人工核酸酶的应用为植物基因工程的发展呈现了更加美好的前景.首先介绍了基因组编辑技术及其发展历程,随后详细阐述了提高植物基因组定点编辑效率的策略,最后对基因组编辑技术在农业和植物基因工程上的应用进行了展望.     

基因编辑技术

基因编辑是指通过核酸酶对靶基因进行定点改造,实现特定DNA的定点敲除、敲入以及突变等,最终下调或上调基因的表达,以使细胞获得新表型的一种新型技术。基因编辑技术已被广泛运用于基因结构与功能的研究和多种细胞的基因工程改造,为疾病模型的建立、动植物新品种的培育及基因治疗等的研究提供新的手段。基因编辑技术主要包括锌指核酸酶技术(ZFN)、转录激活子样效应因子技术(TALEN)和成簇的规律间隔的短回文重复序列/CRISPR相关蛋白 (CRISPR/Cas) 系统等。本文将对3种基因编辑技术的原理、运用及其最新进展进行综述,以期为相关技术及其运用的研究提供参考。     

CRISPR/Cas9:基因编辑的新时代

基因编辑技术是通过核酸内切酶对基因组DNA进行定向改造的技术,可以实现对特定DNA碱基的缺失、替换等,常用的四种基因编辑工具分别是:巨型核酸酶、锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶以及CRISPR/Cas9系统.其中CRISPR/Cas9系统作为一种新型的基因组编辑技术具有组成简单、特异性好、切割效率高的优点.该文对...     

锌指核酸酶技术在植物基因工程中的应用

锌指核酸酶(zinc finger nucleases,ZFNs)由3到4个锌指结构(zinc fingers,ZFs)和FokⅠ核酸内切酶的剪切结构域组成。锌指核酸酶(ZFNs)通过锌指结构(ZFs)与特异核酸位点结合,再利用FokⅠ的酶切作用切割DNA,引起特异位点DNA双链断裂(double strand break,DSB)。DNA双链断裂可以通过非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ) 或同源重组(homologous recombination,HR)来修复。在修复过程中实现对基因组DNA的靶向修饰。介绍了锌指核酸酶结构、人工构建途径,作用机理和试验步骤,重点综述了锌指核酸酶技术在植物基因工程的应用。     

新一代精准基因编辑工具CRISPR/Cas9的技术优势与应用局限

CRISPR/Cas9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9)是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)基因编辑技术之后的第三代基因编辑技术。CRISPR/Cas9在细菌和古生菌中广泛存在,是细菌在长期进化过程中形成的一种"适应性免疫防御",能够针对噬菌体感染、质粒接合和转化所造成的外源导入基因特异性识别、降解入侵的外源DNA,CRISPR/Cas9通过一段20 bp的短RNA来识别打靶位点的精准编辑技术。CRISPR/Cas9具有设计操作简便、编辑高效和通用性广等优点,是新一代具有革命意义的精准基因编辑技术。从CRISPR/Cas9的发现、作用机理、基因编辑以及应用局限等方面进行归纳总结,旨为理解其工作原理和精准基因编辑技术应用提供参考。     

锌指核酸酶技术的应用

锌指核酸酶(zinc finger nuclease,ZFN)技术是近年来发展起来的一种对基因组DNA实现靶向修饰的新技术。ZFN通过作用于基因组DNA上特异的靶位点产生DNA双链切口(double strand break,DSB),然后经过非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或同源重组(homologous recombination,HR)途径实现对基因组DNA的靶向敲除或者替换。该技术近些年来已经被广泛应用于基因靶向修饰的研究。本文在简要介绍ZFN技术的基础上,重点综述了目前该技术在基因靶向修饰中的应用研究进展,并同时对该技术目前所需解决的一些问题以及未来的研究方向进行了分析。     

人工核酸酶介导的基因组编辑技术

传统的基因组编辑技术是基于胚胎干细胞和同源重组实现生物基因组定向改造,但是该技术打靶效率低,严重制约了生命科学以及医学的研究.因此,研究新的基因组编辑技术十分重要.人工核酸酶介导的基因组编辑技术是通过特异性识别靶位点造成DNA双链断裂,引起细胞内源性的修复机制实现靶基因的修饰.与传统的基因组编辑技术相比,人工核酸酶技术打靶效率高,这对于基因功能的研究、构建人类疾病动物模型以及探索新型疾病治疗方案有着重要的意义.人工核酸酶技术有3种类型：锌指核酸酶(ZFN)、类转录激活因子核酸酶(TALEN)及规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR).本文将对以上3种人工核酸酶技术的原理以及在生命科学和医学研究的应用进行综述.     

CRISPR/Cas9技术特异杀伤癌细胞——癌症治疗新策略

<正>CRISPR/Cas9技术,主要用于基因编辑。最近发现,CRISPR/Cas9技术亦可用于特异性杀伤癌细胞。天然状态下,CRISPR/Cas9系统存在于细菌,其功能是识别并切割入侵病毒或噬菌体的DNA,由此导致病毒或噬菌体死亡。因此,对于细菌来说,CRISPR/Cas9是一种"基因剪刀"或"基因武器",是细菌重要的"免疫系统"。目前,CRISPR/Cas9系统一般用于对单基因或多基因的敲除或插入,以构建细胞或动物研究模型。     

基因组编辑技术研究进展

利用基因组编辑技术可以对生物基因组特定位点进行人工修饰,研究相关基因的功能,进而应用于基础研究和临床治疗方面。序列特异性的DNA结合结构域与非特异性的DNA修饰结构域组合而成的人工酶是基因组编辑工具的重要组成部分。主要介绍了锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)、归巢核酸内切酶(Meganucleases)和成簇间隔短回文重复(CRISPR)4种基因组编辑技术的特点、原理、构建方法及应用,为相关的研究和应用提供参考。     

GX开发生物杀虫剂调控系统

从60年代以来商品化使用苏云金芽孢杆菌(BT)生物杀虫剂的事实证实了BT生物杀虫剂的安全性。但GX BioSystems公司(Langhorne,PA)不愿冒这个险。该公司打算利用遗传工程将一种自毁系统植入BT细菌。 该系统为一种活性生防(ABC)系统,由两部分组成:菌体细胞死亡机理和调控致死功能的途径。死亡机制利用了编码一种细菌细胞表面的肽和一种“吞食DNA杀死细胞”的核酸酶的基因。据GX总裁James Sharpe称,由于核酸酶是在遗传材料转入环境之前摧毁细菌DNA,故核酸酶法将在生物杀虫剂中特别有用。GX称,公司已分离出了用于这种死亡系统的基因并且其微量的超表达可有效地杀死细菌。     

染色质免疫共沉淀实验方法

染色质免疫共沉淀(ChIP)技术是一种检测蛋白质与DNA结合的实验技术。该方法可以先进行样品交联, 然后将蛋白质与DNA复合物进行随机DNA切断, 再借助免疫学方法特异性富集与目的蛋白相结合的DNA片段, 从而检测转录因子等目的蛋白质与DNA的结合情况, 鉴定基因启动子或其它DNA结合位点。该方法同时也可应用于研究基因组特定位点的组蛋白修饰情况。该文介绍了依赖交联固定的常规免疫共沉淀(X-ChIP), 以及适用于10³细胞级别微量实验材料的基于微球菌核酸酶非交联免疫共沉淀(ULI-NChIP)具体操作过程和注意事项。     

染色质免疫共沉淀实验方法

染色质免疫共沉淀(ChIP)技术是一种检测蛋白质与DNA结合的实验技术。该方法可以先进行样品交联,然后将蛋白质与DNA复合物进行随机DNA切断,再借助免疫学方法特异性富集与目的蛋白相结合的DNA片段,从而检测转录因子等目的蛋白质与DNA的结合情况,鉴定基因启动子或其它DNA结合位点。该方法同时也可应用于研究基因组特定位点的组蛋白修饰情况。该文介绍了依赖交联固定的常规免疫共沉淀(X-ChIP),以及适用于10~3细胞级别微量实验材料的基于微球菌核酸酶非交联免疫共沉淀(ULI-NChIP)具体操作过程和注意事项。     

运用改良的CRISPR/Cas9系统建立HtrA2敲除细胞株

能识别特定基因组DNA序列的核酸酶是基因编辑的重要工具。在单链RNA引导下,来源于一种产脓链球菌的成簇规律间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)关联蛋白(CRISPR-associated protein 9,Cas9)能够发挥其核酸酶功能对基因组特定序列进行剪切。这种功能依赖于单链引导RNA(single-guide RNAs,sg RNAs或g RNAs)中20 nt的核心靶向序列。在该研究中,作者对已有的CRISPR/Cas9系统载体进行了优化,简化了g RNA表达载体的构建。运用优化后的CRISPR/Cas9系统,我们敲除了HEK293T细胞中HtrA2基因的第一个外显子。这一改进大幅度降低了CRISPR/Cas9技术的使用成本。     

CRISPR/Cas9系统在疾病研究和治疗中的应用

基因组编辑技术(Genome editing technology)是一种通过人工手段在基因组水平对DNA序列进行改造的遗传操作技术,包括特定DNA片段的插入、敲除、替换和点突变.其中,依赖核酸酶的基因组编辑技术的基本原理是在基因组的特定位置产生双链DNA断裂(Double-stranded break,DSB)后通过...