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

武大、復(fù)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?cè)斐傻某Ｈ旧w顯性遺傳疾病，包括家族性心室預(yù)激、傳導(dǎo)系統(tǒng)病變及心肌肥厚，患者往往會(huì)出現(xiàn)室性心動(dòng)過(guò)速和進(jìn)程性心力衰竭。PRKAG2心臟綜合征很難治療，需要進(jìn)行心臟移植。

武漢大學(xué)、中科院和復(fù)旦大學(xué)的研究人員建立了PRKAG2心臟綜合征小鼠模型，并通過(guò)CRISPR/Cas9基因組編輯成功校正了小鼠的PRKAG2突變。這項(xiàng)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(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院的主任醫(yī)師顏彥（Yan Yan）和武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所，是科技部重大蛋白質(zhì)研究計(jì)劃首席科學(xué)家。2014年39歲的宋保亮受聘于武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院成為最年輕的院長(zhǎng)。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(yù)激綜合征（WPW）中鑒定了PRKAG2的H530R突變。他們?cè)诖嘶A(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(shuō)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(lái)進(jìn)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(shí)不影響野生型等位基因。這項(xiàng)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(fù)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(gè)有效的工具，能通過(guò)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(xì)菌一直在與病毒或入侵核酸進(jìn)行斗爭(zhēng)，為此它們演化出了多種防御機(jī)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(fù)CRISPR與內(nèi)切酶Cas的組合，可以在引導(dǎo)RNA的指引下，靶標(biāo)并切割入侵者的遺傳物質(zhì)。2012年研究者們利用這一特點(diǎn)，將CRISPR系統(tǒng)發(fā)展成了強(qiáng)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(xué)家們對(duì)其致病機(jī)制一直知之甚少，因?yàn)檫@種病毒無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)。現(xiàn)在，華盛頓大學(xué)的研究人員通過(guò)CRISPR-Cas9技術(shù)鑒定了諾如病毒入侵細(xì)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(yán)重威脅著人類健康和社會(huì)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(xué)的研究人員首次使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，成功從活體動(dòng)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(guò)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(xì)胞死亡。然而，人們對(duì)這種病毒誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的機(jī)制還并不了解。德州理工大學(xué)的Haoquan Wu和N. Manjunath領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一個(gè)基于CRISPR-Cas9的篩選方法，鑒定了WNV誘導(dǎo)細(xì)胞死亡所必需的基因。這項(xiàng)研究發(fā)表在Cell Reports雜志上。

遺傳學(xué)專業(yè)的就業(yè)前景如何？

遺傳學(xué)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(duì)基因的理解不斷深入，遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

首先，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，遺傳學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生可以在醫(yī)院、研究所等機(jī)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(gè)性化的治療方案。此外，他們還可以通過(guò)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(xì)胞病等。

其次，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，遺傳學(xué)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(guò)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(zhǎng)帶來(lái)的食品需求。

再次，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，遺傳學(xué)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(guò)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(hù)環(huán)境。

此外，遺傳學(xué)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(jī)構(gòu)等單位從事基因測(cè)序、基因芯片設(shè)計(jì)、基因數(shù)據(jù)分析等工作。

總的來(lái)說(shuō)，遺傳學(xué)專業(yè)的就業(yè)前景非常廣闊，畢業(yè)生可以在多個(gè)領(lǐng)域找到自己的發(fā)展空間。然而，遺傳學(xué)是一門高度專業(yè)化的學(xué)科，需要學(xué)生具備扎實(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)和良好的實(shí)驗(yàn)技能。因此，對(duì)于有志于從事遺傳學(xué)研究的學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中需要付出大量的努力和時(shí)間。

生命科學(xué)發(fā)展的“能工巧匠”

今天我們要講的是 生命科學(xué)發(fā)展的能工巧匠—基因編輯技術(shù) ，該技術(shù)通過(guò)人為的對(duì)目的基因進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)其編輯功能，從而達(dá)到改變目的細(xì)胞基因型的目的。

2020年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(duì)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(guò)在基因組序列上誘導(dǎo)雙鏈斷裂(DSB)，并隨后通過(guò)內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制進(jìn)行糾正，達(dá)到基因片段缺失、插入、突變等基因編輯的目的。

通過(guò)同源重組(HR)將內(nèi)源性基因組序列與外源供體DNA分子進(jìn)行交換是一個(gè)幾十年前就已為人所知的過(guò)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(dòng)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(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。?

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

第二代基因編輯技術(shù)TALEN作為ZFNs的替代產(chǎn)品，在2021年進(jìn)入快速開發(fā)期，2012年，科學(xué)雜志將TALEN技術(shù)列入了年度十大科學(xué)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(lái)源于植物病原菌， TALEN技術(shù)的主要原理是通過(guò)兩個(gè)TALE靶向識(shí)別靶點(diǎn)兩側(cè)的序列；每個(gè)TALE融合一個(gè)FokI內(nèi)切酶結(jié)構(gòu)域；FokI通過(guò)TALE靶向形成二聚體切割靶點(diǎn)，誘導(dǎo)雙鏈斷裂，促使DNA進(jìn)行自我修復(fù)過(guò)程并最終達(dá)到基因編輯的目的，TALEN具有技術(shù)設(shè)計(jì)靈活識(shí)別特異性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

ZFNs用30個(gè)氨基酸組成一個(gè)對(duì)應(yīng)三堿基的DNA識(shí)別結(jié)構(gòu)域，而TALE蛋白用34個(gè)氨基酸組成一個(gè)僅精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)一個(gè)堿基的DNA識(shí)別結(jié)構(gòu)域。此外，相比于ZFNs技術(shù)，TALE有一個(gè)決定性的優(yōu)點(diǎn)，就是可模塊化，通過(guò)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(xì)胞構(gòu)建細(xì)胞系，病毒所能運(yùn)送的DNA序列也是有限的，而使用病毒侵染法遞送外援DNA進(jìn)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(wú)疑會(huì)導(dǎo)致DNA的切割效率降低。此外，該項(xiàng)技術(shù)也存在與ZFNs一樣的脫靶率高，細(xì)胞毒性大的缺點(diǎn)。

不過(guò)，科學(xué)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(zhǔn)確且價(jià)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(fù)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(jī)制被揭示, 2014年，一位美國(guó)的生物化學(xué)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(duì)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(guò)堿基配對(duì)與 tracrRNA結(jié)合形成 tracrRNA/crRNA 復(fù)合物，此復(fù)合物引導(dǎo)核酸酶 Cas9 蛋白在與 crRNA 配對(duì)的序列靶位點(diǎn)剪切雙鏈 DNA。而通過(guò)人工設(shè)計(jì) crRNA 和 tracrRNA 這兩種 RNA，改造成具有引導(dǎo)作用的sgRNA ，從而引導(dǎo) Cas9 對(duì) DNA 的定點(diǎn)切割。隨后不久，MIT的華人生物學(xué)家張鋒證明了這一系統(tǒng)同樣可以在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中使用。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是細(xì)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(dāng)外源基因入侵時(shí)，該防御系統(tǒng)的 CRISPR 序列會(huì)表達(dá)與入侵基因組序列相識(shí)別的 RNA，然后 CRISPR 相關(guān)酶在序列識(shí)別處切割外源基因組DNA，從而達(dá)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(fù)合物

2.RNP復(fù)合物在sgRNA的引導(dǎo)下，定位到基因組上的靶位點(diǎn)

3.Cas9蛋白對(duì)靶位點(diǎn)的DNA雙鏈進(jìn)行切割，產(chǎn)生雙鏈斷裂（DSB）

4.DSB引起細(xì)胞的緊急修復(fù)機(jī)制：非同源末端連接（NHEJ）修復(fù)或者同源重組修復(fù)（HDR）

5.絕大多數(shù)情況下（>80%），細(xì)胞采用NHEJ修復(fù)路徑，使得靶位點(diǎn)位置隨機(jī)產(chǎn)生個(gè)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(xì)胞內(nèi)存在同源片段時(shí)，細(xì)胞采用HDR修復(fù)路徑，使得靶位點(diǎn)產(chǎn)生精確修復(fù)

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(diǎn)插入模型或者基因定點(diǎn)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(xué)、農(nóng)業(yè)以及環(huán)境等多個(gè)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(guò)CRISPR/Cas9技術(shù)完成了對(duì)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(duì)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(qiáng)，ZFNs與TALENs需要用成百上千個(gè)堿基的長(zhǎng)度來(lái)完成定位系統(tǒng)的組裝，而CRISPR則只需要與目的基因一一對(duì)應(yīng)的一段gRNA即可完成這個(gè)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(diǎn)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(jì)簡(jiǎn)單，能靶向幾乎任意細(xì)胞任意序列的優(yōu)點(diǎn)。

海星生物通過(guò)不斷探索，開發(fā)的VIRUS-Free技術(shù)通過(guò)構(gòu)建轉(zhuǎn)座系統(tǒng)質(zhì)粒，將質(zhì)粒轉(zhuǎn)染細(xì)胞，在轉(zhuǎn)座酶的作用下，高拷貝的Cas9蛋白與sgRNA表達(dá)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(jià)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(xué)研究保駕護(hù)航。?

參考文獻(xiàn)

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.

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英國(guó)批準(zhǔn)基因編輯用于精準(zhǔn)育種，基因編輯是什么？有什么作用？

基因編程是一種利用計(jì)算機(jī)生成算法或程序的方法，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、圖像處理等各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)基因編程，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)地設(shè)計(jì)和優(yōu)化程序，使得它們能夠更好地完成特定的任務(wù)。基因編程允許程序員和科學(xué)家們利用生物學(xué)和遺傳學(xué)的原理，將計(jì)算機(jī)程序看作一個(gè)生物體，通過(guò)不斷地進(jìn)化和優(yōu)化，創(chuàng)造出更加強(qiáng)大和高效的程序。

標(biāo)題一：基因編程的原理

基因編程的主要原理是模擬自然進(jìn)化過(guò)程。計(jì)算機(jī)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(yùn)行和表現(xiàn)?；蚓幊虒⒒蚶碚搼?yīng)用到計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中，利用遺傳算法和突變等機(jī)制，不斷地進(jìn)化和優(yōu)化程序，以獲得更好的效果。這在復(fù)雜問(wèn)題的解決和優(yōu)化方面具有非常廣泛的應(yīng)用。

標(biāo)題二：基因編程的應(yīng)用

基因編程在機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、圖像處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在機(jī)器學(xué)習(xí)中，基因編程可以用來(lái)自動(dòng)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(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和泛化能力。在人工智能領(lǐng)域，基因編程可以通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)、自適應(yīng)控制等方法，讓機(jī)器更好地適應(yīng)環(huán)境和任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和決策。在圖像處理領(lǐng)域，基因編程可以用來(lái)優(yōu)化算法的性能和速度，實(shí)現(xiàn)高效的圖像識(shí)別和分類。

標(biāo)題三：基因編程的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法相比，基因編程具有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 自動(dòng)化：基因編程可以自動(dòng)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(zhǔn)確性。

2. 魯棒性：基因編程可以通過(guò)遺傳算法和突變等機(jī)制，讓程序更具有適應(yīng)性和魯棒性，能夠應(yīng)對(duì)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(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理等領(lǐng)域帶來(lái)更高效、更靈活、更創(chuàng)新的解決方案。未來(lái)，基因編程將會(huì)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)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(jī)遇。

干細(xì)胞移植，基因編輯，可以治療基因缺陷嗎？

干細(xì)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(duì)于白化病、軟骨病等基因缺陷性疾病，干細(xì)胞移植可以用于治療。干細(xì)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(xì)胞，從而減輕或根除患者的癥狀。但干細(xì)胞移植也存在一些潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(zhǔn)確地改變?nèi)祟惢?，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(wèn)題。同時(shí)，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(yán)峻的挑戰(zhàn)。

綜上所述，雖然干細(xì)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(duì)于某些基因相關(guān)疾病的治療，仍然存在科學(xué)技術(shù)難題和嚴(yán)重的倫理和社會(huì)問(wèn)題，需要在廣泛的討論和監(jiān)管下緩慢推進(jìn)。

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