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武大、復旦等單位用CRISPR治療遺傳疾病(遺傳學專業(yè)的就業(yè)前景如何
？)

佚名 2024-06-04 07:57:52

武大、復旦等單位用CRISPR治療遺傳疾病

2016年09月05日訊 PRKAG2心臟綜合征是由PRKAG2基因突變造成的常染色體顯性遺傳疾病

，包括家族性心室預激
、傳導系統(tǒng)病變及心肌肥厚，患者往往會出現(xiàn)室性心動過速和進程性心力衰竭
。PRKAG2心臟綜合征很難治療
，需要進行心臟移植。

武漢大學

、中科院和復旦大學的研究人員建立了PRKAG2心臟綜合征小鼠模型
，并通過CRISPR/Cas9基因組編輯成功校正了小鼠的PRKAG2突變。這項研究于八月三十日發(fā)表在Cell Research雜志上
，文章通訊作者是復旦大學附屬中山醫(yī)院的主任醫(yī)師顏彥（Yan Yan）和武漢大學生命科學學院的宋保亮（Bao-Liang Song）教授
。

宋保亮原任職于中科院上海生命科學院生物化學與細胞生物學研究所

，是科技部重大蛋白質(zhì)研究計劃首席科學家
。2014年39歲的宋保亮受聘于武漢大學生命科學學院成為最年輕的院長。其主要研究方向是從事與心腦血管疾病發(fā)生密切相關(guān)的膽固醇代謝平衡調(diào)控研究
。

研究人員在家族性預激綜合征（WPW）中鑒定了PRKAG2的H530R突變

。他們在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了攜帶H530R PRKAG2的小鼠模型。研究顯示
，這些小鼠能夠反映包括心肌肥厚和糖原貯積在內(nèi)的人類癥狀
，說明H530R與PRKAG2心臟綜合征的確有因果關(guān)系。

研究人員將CRISPR/Cas9與AAV9載體結(jié)合起來進行活體基因編輯

。該系統(tǒng)能夠破壞帶有H530R突變的PRKAG2等位基因
，同時不影響野生型等位基因
。這項研究表明，在小鼠出生第4天或42天一次性注射AAV9-Cas9/sgRNA
，可以顯著恢復小鼠心臟的形態(tài)和功能
。研究人員指出，活體CRISPR/Cas9基因組編輯是一個有效的工具
，能通過選擇性破壞致病突變治療PRKAG2心臟綜合征和其他顯性遺傳的心臟病
。

細菌一直在與病毒或入侵核酸進行斗爭，為此它們演化出了多種防御機制

，CRISPR-Cas適應(yīng)性免疫系統(tǒng)就是其中之一
。規(guī)律成簇的間隔短回文重復CRISPR與內(nèi)切酶Cas的組合，可以在引導RNA的指引下
，靶標并切割入侵者的遺傳物質(zhì)
。2012年研究者們利用這一特點，將CRISPR系統(tǒng)發(fā)展成了強大的基因組編輯工具
。

諾如病毒（Norovirus）是造成腹瀉的一種常見病毒

，但科學家們對其致病機制一直知之甚少，因為這種病毒無法在實驗室中培養(yǎng)?div id="4qifd00" class="flower right">
，F(xiàn)在
，華盛頓大學的研究人員通過CRISPR-Cas9技術(shù)鑒定了諾如病毒入侵細胞所需的蛋白。這一重要發(fā)現(xiàn)于八月十八日發(fā)表在Science雜志上
。

艾滋病在世界范圍內(nèi)廣泛傳播

，嚴重威脅著人類健康和社會發(fā)展，一直受到人們的高度重視
。HIV-1是引起艾滋病的主要病原體
。Temple大學的研究人員首次使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，成功從活體動物基因組中切除了HIV-1 DNA
。這一突破性研究發(fā)表在Gene Therapy雜志上
，是通過基因編輯治療HIV的關(guān)鍵一步。

西尼羅河病毒感染往往伴隨著大量的神經(jīng)細胞死亡

。然而
，人們對這種病毒誘導細胞死亡的機制還并不了解。德州理工大學的Haoquan Wu和N. Manjunath領(lǐng)導研究團隊
，開發(fā)了一個基于CRISPR-Cas9的篩選方法
，鑒定了WNV誘導細胞死亡所必需的基因。這項研究發(fā)表在Cell Reports雜志上
。

遺傳學專業(yè)的就業(yè)前景如何？

遺傳學專業(yè)的就業(yè)前景非常廣闊

。隨著科技的發(fā)展和人類對基因的理解不斷深入
，遺傳學在醫(yī)學
、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學等多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用
。


首先

，在醫(yī)學領(lǐng)域，遺傳學專業(yè)的畢業(yè)生可以在醫(yī)院
、研究所等機構(gòu)從事基因診斷
、基因治療、基因藥物研發(fā)等工作
。他們可以幫助醫(yī)生診斷遺傳性疾病
，為患者提供個性化的治療方案。此外
，他們還可以通過基因編輯技術(shù)
，如CRISPR-Cas9，治療一些遺傳性疾病
，如囊性纖維化
、鐮狀細胞病等。


其次

，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
，遺傳學專業(yè)的畢業(yè)生可以從事轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)和推廣工作。他們可以通過基因工程技術(shù)
，培育出抗病、抗蟲
、抗旱等優(yōu)良性狀的轉(zhuǎn)基因作物
，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，滿足人口增長帶來的食品需求
。


再次

，在環(huán)境科學領(lǐng)域，遺傳學專業(yè)的畢業(yè)生可以從事污染物的生物降解研究
。他們可以通過基因工程技術(shù)
，改造微生物，使其能夠高效地降解各種污染物
，保護環(huán)境
。


此外，遺傳學專業(yè)的畢業(yè)生還可以在生物技術(shù)公司

、制藥公司
、研究機構(gòu)等單位從事基因測序、基因芯片設(shè)計
、基因數(shù)據(jù)分析等工作
。


總的來說

，遺傳學專業(yè)的就業(yè)前景非常廣闊，畢業(yè)生可以在多個領(lǐng)域找到自己的發(fā)展空間
。然而
，遺傳學是一門高度專業(yè)化的學科，需要學生具備扎實的生物學基礎(chǔ)和良好的實驗技能
。因此
，對于有志于從事遺傳學研究的學生來說，他們在學習過程中需要付出大量的努力和時間
。

生命科學發(fā)展的“能工巧匠”

今天我們要講的是 生命科學發(fā)展的能工巧匠—基因編輯技術(shù)

，該技術(shù)通過人為的對目的基因進行修飾，實現(xiàn)其編輯功能
，從而達到改變目的細胞基因型的目的
。

2020年的諾貝爾化學獎授予了詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)和艾曼紐·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)，以表彰他們對基因編輯技術(shù)CRISPR的研究成果
。在CRISPER-Cas9技術(shù)開發(fā)之前
，第一代鋅指核酸酶（ZFNs）技術(shù)以及第二代轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALENs）已被廣泛應(yīng)用。三者的原理都是通過在基因組序列上誘導雙鏈斷裂(DSB)
，并隨后通過內(nèi)源性修復機制進行糾正
，達到基因片段缺失、插入
、突變等基因編輯的目的
。

通過同源重組(HR)將內(nèi)源性基因組序列與外源供體DNA分子進行交換是一個幾十年前就已為人所知的過程。已故的奧利弗·史密斯(Oliver Smithies)首次闡明了同源DNA分子如何重組并正確插入哺乳動物染色體的特定位置
。為此
，史密斯與馬里奧·卡佩基(Mario Capecchi)以及馬丁·埃文斯(Martin Evans)共同獲得了2007年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。?

2009科學家首次使用ZFNs技術(shù)制造了世界上第一個基因敲除大鼠
，1996年ZFNs技術(shù)被大力發(fā)展
，該技術(shù)通過改造ZFN的結(jié)構(gòu)域，可以人為設(shè)計識別特定DNA的ZFN并促使其與目的DNA序列進行結(jié)合
，隨后
，核酸內(nèi)切酶FOKI可對DNA雙鏈進行切割形成DSB，最后完成DNA的自我修復
。該技術(shù)在發(fā)展過程中有設(shè)計簡單
，效率較高的特點，但是隨著科學的發(fā)展
，人們發(fā)現(xiàn)其具有周期長
、易脫靶?、細胞毒性大的缺點
。

第二代基因編輯技術(shù)TALEN作為ZFNs的替代產(chǎn)品
，在2021年進入快速開發(fā)期
，2012年，科學雜志將TALEN技術(shù)列入了年度十大科學突破列表
，TALE的全稱是Transcription Activator-Like Effector
，即轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)蛋白，來源于植物病原菌
， TALEN技術(shù)的主要原理是通過兩個TALE靶向識別靶點兩側(cè)的序列
；每個TALE融合一個FokI內(nèi)切酶結(jié)構(gòu)域；FokI通過TALE靶向形成二聚體切割靶點
，誘導雙鏈斷裂
，促使DNA進行自我修復過程并最終達到基因編輯的目的，TALEN具有技術(shù)設(shè)計靈活識別特異性強的優(yōu)點
。

ZFNs用30個氨基酸組成一個對應(yīng)三堿基的DNA識別結(jié)構(gòu)域
，而TALE蛋白用34個氨基酸組成一個僅精準對應(yīng)一個堿基的DNA識別結(jié)構(gòu)域。此外
，相比于ZFNs技術(shù)
，TALE有一個決定性的優(yōu)點，就是可模塊化
，通過刪減
、添加、自由組合不同的TALE蛋白
，就可以輕易地定位DNA片段
，將基因編輯周期縮短。但是
，用脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染法還是電穿孔法轉(zhuǎn)染細胞構(gòu)建細胞系
，病毒所能運送的DNA序列也是有限的，而使用病毒侵染法遞送外援DNA進行基因治療
，轉(zhuǎn)染效率也不可避免地與蛋白質(zhì)大小成反比，所以太大的TALE無疑會導致DNA的切割效率降低
。此外
，該項技術(shù)也存在與ZFNs一樣的脫靶率高，細胞毒性大的缺點
。

不過
，科學家們很快開發(fā)出了新一代基因編輯技術(shù)，相比于前兩代技術(shù)更為高校
、快捷
。準確且價位低，那就是我們熟知的CRISPR/Cas9技術(shù)
，主要組成部分是成簇的規(guī)律性間隔的短回文重復序列CRISPR以及核算內(nèi)切酶Cas9組成
， 2011年
，CRISPR/Cas9系統(tǒng)的分子機制被揭示, 2014年，一位美國的生物化學家Jennifer首先闡明了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的工作原理
，證明它可以根據(jù)一段向?qū)NA（gRNA）的指引
，找到對應(yīng)的DNA序列，并將其切開
。CRISPR/Cas9系統(tǒng)的工作原理是 crRNA通過堿基配對與 tracrRNA結(jié)合形成 tracrRNA/crRNA 復合物
，此復合物引導核酸酶 Cas9 蛋白在與 crRNA 配對的序列靶位點剪切雙鏈 DNA。而通過人工設(shè)計 crRNA 和 tracrRNA 這兩種 RNA
，改造成具有引導作用的sgRNA
，從而引導 Cas9 對 DNA 的定點切割。隨后不久
，MIT的華人生物學家張鋒證明了這一系統(tǒng)同樣可以在哺乳動物細胞中使用
。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是細菌和古菌特有的一種天然防御系統(tǒng)，用于抵抗病毒或外源性質(zhì)粒的侵害
。當外源基因入侵時
，該防御系統(tǒng)的 CRISPR 序列會表達與入侵基因組序列相識別的 RNA，然后 CRISPR 相關(guān)酶在序列識別處切割外源基因組DNA
，從而達到防御目的
。?

CRISPR/Cas9技術(shù)原理

1.sgRNA與Cas9蛋白結(jié)合，形成RNP復合物

2.RNP復合物在sgRNA的引導下
，定位到基因組上的靶位點

3.Cas9蛋白對靶位點的DNA雙鏈進行切割
，產(chǎn)生雙鏈斷裂（DSB）

4.DSB引起細胞的緊急修復機制：非同源末端連接（NHEJ）修復或者同源重組修復（HDR）

5.絕大多數(shù)情況下（>80%），細胞采用NHEJ修復路徑
，使得靶位點位置隨機產(chǎn)生個別堿基的刪除或插入（Indel）
，得到基因敲除模型

6.極少數(shù)情況下（<20%），且細胞內(nèi)存在同源片段時
，細胞采用HDR修復路徑
，使得靶位點產(chǎn)生精確修復

7.在同源片段中引入外源基因片段或者突變堿基，可得到基因定點插入模型或者基因定點突變模型

近幾年
，CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)飛速發(fā)展
，涉及在生物、醫(yī)學
、農(nóng)業(yè)以及環(huán)境等多個領(lǐng)域的應(yīng)用
， 2017年CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)應(yīng)用于CAR-T療法；楊璐菡等在Science發(fā)表文章
，通過CRISPR/Cas9技術(shù)完成了對豬基因組中的內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）序列的敲除
。同年，雜交水稻之父”袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技術(shù)完成了對水稻中與鎘吸收和積累相關(guān)的基因的敲除。

目前為止
，關(guān)于CRISPR/Cas9技術(shù)的新突破不斷涌現(xiàn)
，相比于前兩代基因編輯技術(shù)，CRISPR/Cas9技術(shù)切割效率極高
，便利性強
，ZFNs與TALENs需要用成百上千個堿基的長度來完成定位系統(tǒng)的組裝，而CRISPR則只需要與目的基因一一對應(yīng)的一段gRNA即可完成這個任務(wù)
，且Cas9蛋白自己本身就具有核酸內(nèi)切酶的活性
，不需額外的核酸內(nèi)切酶。為今后大范圍治療點突變遺傳疾病提供了極大的便利
。此外
，該技術(shù)還有設(shè)計簡單，能靶向幾乎任意細胞任意序列的優(yōu)點
。

海星生物通過不斷探索
，開發(fā)的VIRUS-Free技術(shù)通過構(gòu)建轉(zhuǎn)座系統(tǒng)質(zhì)粒，將質(zhì)粒轉(zhuǎn)染細胞
，在轉(zhuǎn)座酶的作用下
，高拷貝的Cas9蛋白與sgRNA表達元件被整合到基因組上，比傳統(tǒng)的病毒法節(jié)省了3-4周
，價格節(jié)省了約40%
。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，海星生物將緊隨科技發(fā)展的步伐
，為您的科學研究保駕護航
。?

參考文獻

Knott GJ, Doudna JA. CRISPR-Cas guides the future of genetic engineering. Science. 2018 Aug 31;361(6405):866-869. doi: 10.1126/science.aat5011.

Bak RO, Gomez-Ospina N, Porteus MH. Gene Editing on Center Stage. Trends Genet. 2018 Aug;34(8):600-611. doi: 10.1016/j.tig.2018.05.004.

Fernández A, Josa S, Montoliu L. A history of genome editing in mammals. Mamm Genome. 2017 Aug;28(7-8):237-246. doi: 10.1007/s00335-017-9699-2.

英國批準基因編輯用于精準育種，基因編輯是什么
？有什么作用
？

基因編程是一種利用計算機生成算法或程序的方法，它被廣泛應(yīng)用于機器學習

、人工智能
、圖像處理等各個領(lǐng)域。通過基因編程
，計算機可以自動地設(shè)計和優(yōu)化程序，使得它們能夠更好地完成特定的任務(wù)
?div id="m50uktp" class="box-center"> ；蚓幊淘试S程序員和科學家們利用生物學和遺傳學的原理，將計算機程序看作一個生物體，通過不斷地進化和優(yōu)化
，創(chuàng)造出更加強大和高效的程序
。

標題一：基因編程的原理



基因編程的主要原理是模擬自然進化過程。計算機程序可以看作是一組代碼的集合

，就像生物體中的基因一樣
，控制著程序的運行和表現(xiàn)?div id="m50uktp" class="box-center"> ；蚓幊虒⒒蚶碚搼?yīng)用到計算機程序設(shè)計中
，利用遺傳算法和突變等機制，不斷地進化和優(yōu)化程序
，以獲得更好的效果
。這在復雜問題的解決和優(yōu)化方面具有非常廣泛的應(yīng)用。

標題二：基因編程的應(yīng)用

基因編程在機器學習

、人工智能
、圖像處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在機器學習中
，基因編程可以用來自動生成高效的算法
，優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而提高預測的準確性和泛化能力
。在人工智能領(lǐng)域
，基因編程可以通過自適應(yīng)學習、自適應(yīng)控制等方法
，讓機器更好地適應(yīng)環(huán)境和任務(wù)
，從而實現(xiàn)自主學習和決策。在圖像處理領(lǐng)域
，基因編程可以用來優(yōu)化算法的性能和速度
，實現(xiàn)高效的圖像識別和分類。

標題三：基因編程的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的程序設(shè)計方法相比

，基因編程具有以下優(yōu)勢：

1. 自動化：基因編程可以自動化地生成
、優(yōu)化和適應(yīng)算法和程序，極大地提高了工作效率和準確性
。

2. 魯棒性：基因編程可以通過遺傳算法和突變等機制
，讓程序更具有適應(yīng)性和魯棒性，能夠應(yīng)對不同的環(huán)境和數(shù)據(jù)集
。

3. 多樣性：基因編程可以生成各種不同的算法和程序
，具有更多的選擇和靈活性，有利于找到更優(yōu)的解決方案
。



總之

，基因編程是一種非常有前途的技術(shù)，它可以為人工智能、機器學習
、圖像處理等領(lǐng)域帶來更高效
、更靈活、更創(chuàng)新的解決方案
。未來
，基因編程將會成為計算機科學和人工智能領(lǐng)域的重要研究方向，為我們創(chuàng)造出更多的驚喜和機遇
。

干細胞移植
，基因編輯，可以治療基因缺陷嗎
？

干細胞移植和基因編輯技術(shù)都是目前備受關(guān)注的新型治療手段

，可以在一定程度上治療某些基因缺陷疾病，但并不能治愈所有基因相關(guān)疾病
。

對于白化病
、軟骨病等基因缺陷性疾病，干細胞移植可以用于治療
。干細胞移植是指在一定程度上替換患者自身肝
、肺、腎等重要組織器官中的缺失細胞
，從而減輕或根除患者的癥狀
。但干細胞移植也存在一些潛在風險，如輸液前的化療
、骨髓抽取后惡性腫瘤的高概率等
。

至于基因編輯技術(shù)，雖然可以更直接
、準確地改變?nèi)祟惢?div id="d48novz" class="flower left">
，從而潛在治愈一些人類疾病，但目前該技術(shù)仍處于起步階段
，并有許多待解決的技術(shù)
、道德和安全問題。同時
，即使基因編輯技術(shù)的技術(shù)難題能夠解決
，涉及人類基因的技術(shù)在倫理和法律方面面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

綜上所述
，雖然干細胞移植和基因編輯技術(shù)是非常前沿的基因治療手段
，但對于某些基因相關(guān)疾病的治療
，仍然存在科學技術(shù)難題和嚴重的倫理和社會問題，需要在廣泛的討論和監(jiān)管下緩慢推進
。

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