ACIE：科學(xué)家利用光來控制基因編輯作用

ACIE：科學(xué)家利用光來控制基因編輯作用

2016年08月28日訊 基因編輯系統(tǒng)CRISPR可以幫助科學(xué)家剔除或替代活細(xì)胞中的任何靶向基因，近日來自MIT的科學(xué)家們通過研究制造了一種對光產(chǎn)生反應(yīng)的特殊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效控制基因編輯發(fā)生的時間和地點(diǎn)，相關(guān)研究刊登于國際雜志Angewandte Chemie International Edition上。在這種新型系統(tǒng)的幫助下，只要當(dāng)研究者將紫外線照射于靶向細(xì)胞上，該細(xì)胞中就會發(fā)生基因編輯，這或許就可以幫助研究者更加清楚地解析影響胚胎發(fā)育或疾病進(jìn)展的細(xì)胞和遺傳事件了，同時還可以提供一種靶向性的策略來關(guān)閉腫瘤細(xì)胞中的促癌基因。

添加這種光控開關(guān)的優(yōu)勢就在于其可以在空間和時間上給予基因編輯系統(tǒng)更加精確的控制；CRISPR基因編輯技術(shù)依賴于由切割DNA的酶類Cas9和短鏈RNA組成的基因編輯復(fù)合物，短鏈RNA可以引導(dǎo)酶類進(jìn)入到基因組的特殊區(qū)域，從而指導(dǎo)Cas9酶類進(jìn)行基因的切割，當(dāng)Cas9和導(dǎo)向RNA都進(jìn)入到細(xì)胞中時，特殊的切割就會在基因組中發(fā)生。

這項(xiàng)研究中，研究者利用光來控制對綠色熒光蛋白（GFP）基因的編輯，同時研究者還實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞表面編碼蛋白的兩種基因及在某些癌癥中過度表達(dá)的基因編輯過程的控制；研究者Bhatia說道，如果這真的是一種可規(guī)劃方案的話，我們就應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出保護(hù)性的序列來抵御靶向序列，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了能夠抵御不同基因的保護(hù)裝置，而且還發(fā)現(xiàn)這些保護(hù)裝置可以被光控制激活表達(dá)；此外在多種實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)利用混合的保護(hù)裝置時，在光暴露后“裂開”的唯一靶點(diǎn)就可以被保護(hù)起來。

在合適的時間對基因編輯進(jìn)行精確的控制可以幫助科學(xué)家研究參與疾病進(jìn)展的細(xì)胞事件，從而就能夠確定何時關(guān)閉基因表達(dá)才是最佳的干預(yù)時間；CRISPR-Cas9是研究者用來研究基因如何影響細(xì)胞行為的一種強(qiáng)大的基因編輯工具，這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步獎幫助研究者實(shí)現(xiàn)對多種遺傳改變的精確控制，因此本文研究或?qū)槎鄠€研究團(tuán)體提供一種有用的工具來改善當(dāng)前的基因編輯領(lǐng)域的研究。

如今研究者Bhatia的實(shí)驗(yàn)室正在尋找基于該技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，其中一種可能性就是利用這種技術(shù)來關(guān)閉參與皮膚癌發(fā)病的癌變基因的表達(dá)，而且這些癌變基因也是一種非常好的靶點(diǎn)，因?yàn)槠つw可以很容易地暴露于紫外光下。研究小組目前正在開發(fā)一種通用的保護(hù)裝置，其可以與任何RNA導(dǎo)向鏈相互配合使用，從而就消除了設(shè)計(jì)新型RNA序列的需要，同時也能夠立刻抑制CRISPR-Cas9對許多靶點(diǎn)的切割編輯。

科學(xué)家是如何確定一個基因所代表的功能的？

你得有一個基因。很多時候不是研究一個基因，而是研究一個現(xiàn)象，然后發(fā)現(xiàn)是由某個基因介導(dǎo)的。這類研究是這樣，先有一個模式生物，比如小鼠，果蠅，斑馬魚，線蟲。然后關(guān)注一個我們感興趣的表型，比如說眼睛的發(fā)育。然后對所研究的模式生物進(jìn)行遺傳誘變，比如用X-ray照射果蠅，然后看后代里有沒有眼睛不正常的，有的話就挑出來。然后各種遺傳學(xué)操作，做genemapping去找到底哪個基因壞了導(dǎo)致的眼睛不正常。最后找到了，然后將其克隆出來，比對小鼠和人類的基因組有沒有同源的基因，找到同源的基因。然后可能會在小鼠里敲除這個基因，然后看小鼠是不是也眼睛發(fā)育有問題。最后可以到人群里去找眼睛有遺傳病的人，測序看他的基因組里的這個基因是不是也突變了。這樣就可以確定這個基因的功能。所以一般是先有表型再去找基因，也就是所謂的正向遺傳學(xué)。當(dāng)然你也可以用反向遺傳學(xué)，挨個敲掉基因看有沒有你要的表型。因?yàn)榭茖W(xué)家一般只關(guān)注自己感興趣的基因，所以不會出現(xiàn)你說的那種情況，就是不會追著一個基因非要知道它的功能，而是有目的地找他所關(guān)心的基因。另一方面，當(dāng)然也可以直接在人里做研究，這就是所謂的人類遺傳學(xué)。還是用眼睛做例子，你可以反過來直接在人群里找那種有家族式眼睛缺陷的人，建立家譜，然后測序他們的基因組?，F(xiàn)在常有的是連鎖分析或者基因組關(guān)聯(lián)分析，也就是GWAS，目的就是看看到底哪個或者哪些突變與感興趣的表型有聯(lián)系，比如這里就是到底是哪個突變導(dǎo)致的眼睛缺陷。然后在小鼠里或者果蠅里定向敲除這些基因，看看他們是不是眼睛也有問題。所以你會發(fā)現(xiàn)，基因的功能是通過沒有它發(fā)生了什么這個邏輯來反推他原來的功能的，而不是你想象的那樣像追犯人那樣看它到底做了什么。這也是遺傳學(xué)的真諦所在。

基因在遺傳中的作用是什么

基因(Gene,Mendelian factor) ，也就是最初孟德爾說的遺傳因子。是指攜帶有遺傳信息的DNA或RNA序列，是控制性狀的基本遺傳單位?；蛲ㄟ^指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來表達(dá)自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個體的性狀表現(xiàn)。 基因有兩個特點(diǎn)，一是能忠實(shí)地復(fù)制自己，以保持生物的基本特征；二是基因能夠“突變”，突變大絕大多數(shù)會導(dǎo)致疾病，另外的一小部分是非致病突變。非致病突變給自然選擇帶來了原始材料，使生物可以在自然選擇中被選擇出最適合自然的個體. 含特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。除某些病毒的基因由核糖核酸(RNA)構(gòu)成以外，多數(shù)生物的基因由脫氧核糖核酸(DNA)構(gòu)成，并在染色體上作線狀排列。基因一詞通常指染色體基因。在真核生物中，由于染色體都在細(xì)胞核內(nèi)，所以又稱為核基因。位于線粒體和葉綠體等細(xì)胞器中的基因則稱為染色體外基因、核外基因或細(xì)胞質(zhì)基因，也可以分別稱為線粒體基因、質(zhì)粒和葉綠體基因。 基因最初是一個抽象的符號，后來證實(shí)它是在染色體上占有一定位置的遺傳的功能單位。大腸桿菌乳糖操縱子中的基因的分離和離體條件下轉(zhuǎn)錄的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步說明基因是實(shí)體。今已可以在試管中對基因進(jìn)行改造(見重組DNA技術(shù))甚至人工合成基因。對基因的結(jié)構(gòu)、功能、重組、突變以及基因表達(dá)的調(diào)控和相互作用的研究始終是遺傳學(xué)研究的中心課題。 基本特性編輯本段 基因具有3種特性：①穩(wěn)定性?；虻姆肿咏Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易發(fā)生改變。基因的穩(wěn)定性來源于基因的精確自我復(fù)制,并隨細(xì)胞分裂而分配給子細(xì)胞,或通過性細(xì)胞傳給子代，從而保證了遺傳的穩(wěn)定。②決定性狀發(fā)育?；驍y帶的特定遺傳信息轉(zhuǎn)錄給信使核糖核酸(mRNA)，在核糖體上翻譯成多肽鏈，多肽鏈折疊成特定的蛋白質(zhì)。其中有的是結(jié)構(gòu)蛋白，更多的是酶。基因正是通過對酶合成的控制，以控制生物體的每一個生化過程，從而控制性狀的發(fā)育。③可變性。基因可以由于細(xì)胞內(nèi)外誘變因素的影響而發(fā)生突變。突變的結(jié)果產(chǎn)生了等位基因和復(fù)等位基因。由于基因的這種可變性，才得以認(rèn)識基因的存在，并增加了生物的多樣性，為選擇提供更多的機(jī)會。 基因破譯編輯本段 目前，由多國科學(xué)家參與的“人類基因組計(jì)劃”，正力圖在21世紀(jì)初繪制出完整的人類染色體排列圖。眾所周知，染色體是DNA的載體，基因是DNA上有遺傳效應(yīng)的片段，構(gòu)成DNA的基本單位是四種堿基。由于每個人擁有30億對堿基，破譯所有DNA的堿基排列順序無疑是一項(xiàng)巨型工程。與傳統(tǒng)基因序列測定技術(shù)相比，基因芯片破譯人類基因組和檢測基因突變的速度要快數(shù)千倍。 基因芯片的檢測速度之所以這么快，主要是因?yàn)榛蛐酒嫌谐汕先f個微凝膠，可進(jìn)行并行檢測；同時，由于微凝膠是三維立體的，它相當(dāng)于提供了一個三維檢測平臺，能固定住蛋白質(zhì)和DNA并進(jìn)行分析。 美國正在對基因芯片進(jìn)行研究，已開發(fā)出能快速解讀基因密碼的“基因芯片”，使解讀人類基因的速度比目前高1000倍。 基因診斷編輯本段 通過使用基因芯片分析人類基因組，可找出致病的遺傳基因。癌癥、糖尿病等，都是遺傳基因缺陷引起的疾病。醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究人員將能在數(shù)秒鐘內(nèi)鑒定出最終會導(dǎo)致癌癥等的突變基因。借助一小滴測試液，醫(yī)生們能預(yù)測藥物對病人的功效，可診斷出藥物在治療過程中的不良反應(yīng)，還能當(dāng)場鑒別出病人受到了何種細(xì)菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遺傳基因，將使10年后對糖尿病的確診率達(dá)到50%以上。 基因來自父母，幾乎一生不變，但由于基因的缺陷，對一些人來說天生就容易患上某些疾病，也就是說人體內(nèi)一些基因型的存在會增加患某種疾病的風(fēng)險，這種基因就叫疾病易感基因。 只要知道了人體內(nèi)有哪些疾病的易感基因，就可以推斷出人們?nèi)菀谆忌夏囊环矫娴募膊?。然而，我們?nèi)绾尾拍苤雷约河心男┘膊〉囊赘谢蚰?？這就需要進(jìn)行基因的檢測。 基因檢測是如何進(jìn)行的呢？用專用采樣棒從被測者的口腔黏膜上刮取脫落細(xì)胞，通過先進(jìn)的儀器設(shè)備，科研人員就可以從這些脫落細(xì)胞中得到被測者的DNA樣本，對這些樣本進(jìn)行DNA測序和SNP單核苷酸多態(tài)性檢測，就會清楚的知道被測者的基因排序和其他人有哪些不同，經(jīng)過與已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的諸多種類疾病的基因樣本進(jìn)行比對，就可以找到被測者的DNA中存在哪些疾病的易感基因。 基因檢測不等于醫(yī)學(xué)上的醫(yī)學(xué)疾病診斷，基因檢測結(jié)果能告訴你有多高的風(fēng)險患上某種疾病，但并不是說您已經(jīng)患上某種疾病，或者說將來一定會患上這種疾病。 通過基因檢測，可向人們提供個性化健康指導(dǎo)服務(wù)、個性化用藥指導(dǎo)服務(wù)和個性化體檢指導(dǎo)服務(wù)。就可以在疾病發(fā)生之前的幾年、甚至幾十年進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)防，而不是盲目的保健；人們可以通過調(diào)整膳食營養(yǎng)、改變生活方式、增加體檢頻度、接受早期診治等多種方法，有效地規(guī)避疾病發(fā)生的環(huán)境因素。 基因檢測不僅能提前告訴我們有多高的患病風(fēng)險，而且還可能明確地指導(dǎo)我們正確地用藥，避免藥物對我們的傷害。將會改變傳統(tǒng)被動醫(yī)療中的亂用藥、無效用藥和有害用藥以及盲目保健的局面。 全球每年死于不合理用藥750萬人。位居死亡人數(shù)排行的第四位。我國因藥物不良反應(yīng)住院的病人每年約250萬人，直接死亡20萬人。我國每年發(fā)生藥物性耳聾的兒童約3萬多人，在100多萬聾啞兒童中，50%左右是藥物致聾。上海每年1萬人因吃錯藥而死亡。 基因檢測正在造福千家萬戶。基因檢測：是送給兒女的平安“儲蓄”、送給自己的“投資”、送給父母的長壽“保險”。一次檢測，終身受益。 未來人們在體檢時，由搭載基因芯片的診斷機(jī)器人對受檢者取血，轉(zhuǎn)瞬間體檢結(jié)果便可以顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。利用基因診斷，醫(yī)療將從千篇一律的“大眾醫(yī)療”的時代，進(jìn)步到依據(jù)個人遺傳基因而異的“定制醫(yī)療”的時代。 基因環(huán)保編輯本段 基因芯片在環(huán)保方面也大有可為?；蛐酒筛咝У靥綔y到由微生物或有機(jī)物引起的污染，還能幫助研究人員找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。這種對環(huán)境友好的基因一旦被發(fā)現(xiàn)，研究人員將把它們轉(zhuǎn)入普通的細(xì)菌中，然后用這種轉(zhuǎn)基因細(xì)菌清理被污染的河流或土壤。 基因計(jì)算編輯本段 DNA分子類似“計(jì)算機(jī)磁盤”，擁有信息的保存、復(fù)制、改寫等功能。將螺旋狀的DNA的分子拉直，其長度將超過人的身高，但若把它折疊起來，又可以縮小為直徑只有幾微米的小球。因此，DNA分子被視為超高密度、大容量的分子存儲器。 基因芯片經(jīng)過改進(jìn)，利用不同生物狀態(tài)表達(dá)不同的數(shù)字后還可用于制造生物計(jì)算機(jī)?；诨蛐酒突蛩惴?，未來的生物信息學(xué)領(lǐng)域，將有望出現(xiàn)能與當(dāng)今的計(jì)算機(jī)業(yè)硬件巨頭――英特爾公司、軟件巨頭――微軟公司相匹敵的生物信息企業(yè)。 遺傳基因與疾病編輯本段 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，除外傷外，幾乎所有的疾病都和基因有關(guān)系。像血液分不同血型一樣，人體中正?；蛞卜譃椴煌幕蛐?，即基因多態(tài)型。不同的基因型對環(huán)境因素的敏感性不同，敏感基因型在環(huán)境因素的作用下可引起疾病。另外，異?；蚩梢灾苯右鸺膊?，這種情況下發(fā)生的疾病為遺傳病。 可以說，引發(fā)疾病的根本原因有三種： （1）基因的后天突變； （2）正?；蚺c環(huán)境之間的相互作用； （3）遺傳的基因缺陷。 絕大部分疾病，都可以在基因中發(fā)現(xiàn)病因。 基因通過其對蛋白質(zhì)合成的指導(dǎo)，決定我們吸收食物，從身體中排除毒物和應(yīng)對感染的效率。 第一類與遺傳有關(guān)的疾病有四千多種，通過基因由父親或母親遺傳獲得。 第二類疾病是常見病，例如心臟病、糖尿病、多種癌癥等，是多種基因和多種環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。 基因是人類遺傳信息的化學(xué)載體，決定我們與前輩的相似和不相似之處。在基因“工作”正常的時候，我們的身體能夠發(fā)育正常，功能正常。如果一個基因不正常，甚至基因中一個非常小的片斷不正常，則可以引起發(fā)育異常、疾病，甚至死亡。 健康的身體依賴身體不斷的更新，保證蛋白質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量的正常，這些蛋白質(zhì)互相配合保證身體各種功能的正常執(zhí)行。每一種蛋白質(zhì)都是一種相應(yīng)的基因的產(chǎn)物。 基因可以發(fā)生變化，有些變化不引起蛋白質(zhì)數(shù)量或質(zhì)量的改變，有些則引起?；虻倪@種改變叫做基因突變。蛋白質(zhì)在數(shù)量或質(zhì)量上發(fā)生變化，會引起身體功能的不正常以致造成疾病。 遺傳基因技術(shù)編輯本段 克隆 克隆是英語單詞clone的音譯，clone源于希臘文klone，原意是指幼苗或嫩枝，以無性繁殖或營養(yǎng)繁殖的方式培育植物，如桿插和嫁接。 如今，克隆是指生物體通過體細(xì)胞進(jìn)行的無性繁殖，以及由無性繁殖形成的基因型完全相同的后代個體組成的種群。克隆也可以理解為復(fù)制、拷貝，就是從原型中產(chǎn)生出同樣的復(fù)制品，它的外表及遺傳基因與原型完全相同。 轉(zhuǎn)基因技術(shù) 將人工分離和修飾過的基因?qū)氲缴矬w基因組中，由于導(dǎo)入基因的表達(dá)，引起生物體的性狀的可遺傳的修飾，這一技術(shù)稱之為轉(zhuǎn)基因技術(shù)。人們常說的“遺傳工程”、“基因工程”、“遺傳轉(zhuǎn)化”均為轉(zhuǎn)基因的同義詞。經(jīng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)修飾的生物體在媒體上常被稱為“遺傳修飾過的生物體”(Genetically modified organism，簡稱GMO)。
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提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要途徑是什么？

提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要條件之一，是提高農(nóng)作物對光能的利用率。要提高農(nóng)作物對光能的利用率，除了高中生物必修課本中介紹過的延長光合作用時間和增加光合作用面積以外，還應(yīng)當(dāng)提高農(nóng)作物的光合作用效率。光合作用效率是指綠色植物通過光合作用制造的有機(jī)物中所含有的能量，與光合作用中吸收的光能的比值。那么，怎樣才能提高農(nóng)作物的光合作用效率呢？
光照強(qiáng)弱的控制
光照是光合作用的條件之一，直接影響農(nóng)作物光合作用效率的提高。但是，不同的農(nóng)作物，對光照強(qiáng)弱的需求不同。有些農(nóng)作物如水稻、玉米、向日葵等，進(jìn)行光合作用時需要強(qiáng)的光照，只有強(qiáng)的光照才能生長發(fā)育良好，才能提高光合作用效率，這類農(nóng)作物屬于陽生植物，陽生植物應(yīng)當(dāng)種植在陽光充裕的地方。有些農(nóng)作物如胡椒(如圖)等，進(jìn)行光合作用時不需要太強(qiáng)的光照，太強(qiáng)的光照不利于生長發(fā)育，也就不利于提高光合作用效率，這類農(nóng)作物屬于陰生植物，陰生植物應(yīng)當(dāng)種植在蔭蔽的地方。
光的不同成分
太陽光經(jīng)過三棱鏡后，形成按紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜，這是人眼能夠感覺到的可見光。不同顏色的光，對農(nóng)作物的光合作用效率有一定的影響?？茖W(xué)研究證明，當(dāng)綠色植物在能量相等的不同單色光下進(jìn)行光合作用時，紅光和藍(lán)紫光有利于提高光合作用效率，而黃綠光則不利于提高光合作用效率。有趣的是，不同顏色的光對光合作用產(chǎn)物的成分也有影響：在藍(lán)紫光的照射下，光合產(chǎn)物中蛋白質(zhì)和脂肪的含量較多；在紅光的照射下，光合產(chǎn)物中糖類的含量較多。這一發(fā)現(xiàn)在塑料大棚和人工光照的溫室中具有應(yīng)用價值。例如，在培育水稻秧苗時，藍(lán)色的塑料薄膜有利于培育壯秧。
二氧化碳的供應(yīng)
科學(xué)家通過研究綠色植物周圍空氣中二氧化碳濃度與光合作用強(qiáng)弱的關(guān)系，繪制出圖。分析左圖可以看出，二氧化碳的濃度很低時，綠色植物不僅不能制造有機(jī)物，而且還要消耗體內(nèi)的有機(jī)物；隨著二氧化碳濃度的提高，光合作用逐漸增強(qiáng)；當(dāng)二氧化碳濃度提高到一定程度時，光合作用的強(qiáng)度不再隨二氧化碳濃度的提高而增強(qiáng)；如果繼續(xù)提高二氧化碳的濃度，光合作用的強(qiáng)度反而明顯減弱?？梢姡G色植物周圍空氣中二氧化碳的濃度，直接影響綠色植物的光合作用效率。農(nóng)作物周圍空氣中二氧化碳的濃度通常比較低，而且隨著光合作用的進(jìn)行還會降低，使植株經(jīng)常處于“二氧化碳饑餓”的文本框: 我國北魏時期的農(nóng)書《齊民要術(shù)》中，就有關(guān)于栽種農(nóng)作物要“正其行，通其風(fēng)” 的記載。狀態(tài)，這顯然不利于提高光合作用效率。對于農(nóng)田里的農(nóng)作物來說，確保良好的通風(fēng)透光，既有利于充分利用光能，又可以使空氣不斷地流過葉面，有助于提供較多的二氧化碳，從而提高光合作用效率。對于溫室里的農(nóng)作物來說，通過增施農(nóng)家肥料或使用二氧化碳發(fā)生器等措施，可以增加溫室中二氧化碳的濃度，同樣可以提高農(nóng)作物的光合作用效率。
必需礦質(zhì)元素的供應(yīng)
綠色植物進(jìn)行光合作用時，需要多種必需的礦質(zhì)元素。例如，氮是催化光合作用過程中各種酶以及NADP+和ATP的重要組成成分，磷也是NADP+和ATP的重要組成成分?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，用磷脂酶將離體葉綠體膜結(jié)構(gòu)上的磷脂水解掉后，在其他原料和條件都具備的情況下，這些葉綠體的光合作用過程明顯受到阻礙?？梢姡自诰S持葉綠體膜的結(jié)構(gòu)和功能上起著重要的作用。又如，綠色植物通過光合作用合成糖類，以及將糖類運(yùn)輸?shù)綁K根、塊莖和種子等器官中，都需要鉀。再如，鎂是葉綠素的重要組成成分?？梢姡挥斜ＷC植物必需礦質(zhì)元素的供應(yīng)，才能使光合作用順利地進(jìn)行下去。需要指出的是，必需礦質(zhì)元素的供應(yīng)過量時，也會給農(nóng)作物的生長發(fā)育帶來危害，例如氮肥施用過多時，會造成農(nóng)作物倒伏，從而影響農(nóng)作物光合作用效率的提高。

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