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韩春雨副教授的基因编辑技术价值在哪里?

作者:超级管理员 来源: 日期:2016-5-26 11:16:52 人气:29 加入收藏 标签:

 118彩色图库:袁飞荣博士


        随着基因组测序技术的迅速发展,测序成本越来越低,越来越多的生物基因组序列信息被测定和公布,现已知晓人类、小麦、水稻、甜橙、家蚕以及细菌等大量的全基因组序列,但绝大多数基因序列的功能还没有得到有效的解释,这成为广大科学家的新目标和面临的新难题。整体看来,生命科学的发展已经进入后基因组时代,各领域探究基因序列的生物学意义和对表型的影响成为现阶段研究的热点内容,过去对单个基因的功能研究主要采用转基因的技术,不仅操作复杂,还有不少安全隐患,并且因为操作的基因数量有限而大受局限,如能对基因组任何基因序列进行自由编辑和改造,并研究其功能特性,将有望解释各种复杂的生命过程,在人类疾病发病机理研究和治疗、动植物遗传与发育机理和分子育种、微生物的改造和利用等方面有广阔应用价值,于是基因编辑技术应运而生。


  最近,一篇国际顶级期刊(Nature Biotechnoligy)发表的文章《DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute》引发科技界的大讨论,该文章的通讯作者河北科技大学的韩春雨副教授也被推到了舆论的风口浪尖。推究其由来,正是源于基因组编辑技术(genome editing,GE)。GE是一种可以在基因组水平上对DNA序列进行改造的遗传操作技术,理想的基因组编辑技术能根据科学家的设计靶向编辑基因组中的任何基因,这样就能够对基因的功能和作用机制进行深入研究。最近几年基因组靶向编辑技术的迅猛发展,主要得益于一系列人工核酸内切酶(engineered endonuclease,EEN)的出现。其原理是构建一个人工内切酶,在预定的基因组位置切断DNA,切断的DNA在被细胞内的DNA修复系统修复过程中会产生突变,从而达到定点改造基因组的目的。DNA修复系统主要通过两种途径修复DNA双链断裂(double-strand break,DSB),即非同源末端连接(Nonhomologous end joining, NHEJ)和同源重组(homologous recombination, HR)。通过这两种修复途径,基因组编辑技术可以实现三种基因组改造的目的,即基因敲除,特异突变的引入和定点转基因。

图1 通过基因编辑技术对生物基因组进行3种定点修饰


      目前,已经应用于基因组定点编辑的ENN主要有4种:归巢核酸内切酶 (meganucleases ) 、锌指核酸内切酶 (zincf inger endonuclease, ZFN ) 、转录激活样效应因子核酸酶 (transcription activa,tor— like effeetor nuclease, TA LEN ) 与成簇问隔短回文重复 (clustered regularly interspacedshort palin.drom ic repeats, CRISPR ) , 这4种技术都可以对基因组进行精确的定点修饰。前三者对基因组特定序列的识别依靠蛋白,对靶向序列有特殊要求、或者针对靶向序列需要对酶本身个体化特定设计、或有高脱靶的可能,所以应用受到限制。2013年,作为第3代ENN技术的CRISPR/Cas 系统成为一种新兴的高效快速基因靶向敲除技术,CRISPR/Cas9介导的R NA靶向基因组编辑系统在模式动物、农业育种、生物工程、基因治疗以及药物研发等不同领域中得到广泛推广和应用,逐渐取代了ZFN和TA LEN技术成为又一新的基因靶向修饰技术,推动了基因组精确编辑与调控技术的迅猛发展。


     在最近3年的应用中,发现该技术依然有不少问题:(1)Cas9源自细菌,它以向导RNA为引导,理论上可对基因组中的任何在靠近PAM(protospacer adjacent motif)序列上游的靶点进行切割造成DSB。然而,RNA容易形成二级结构,因此对GC丰富的基因序列,Cas9系统效率低下。(2)细胞自身产生大量RNA片段,Cas9有与这些非特异性RNA结合被错误引导切割非靶向基因组位点的可能性;(3)Cas9对向导RNA和靶向DNA序列错配的耐受较高(5个核苷酸错配不会阻止切割),也容易造成基因组非靶向切割;(4)来源于细菌(如肺炎链球菌)的Cas9蛋白在真核细胞中表达后,需要在其N端与(或) C端 加一段真核细胞的核定位信号(nuclear locali zati onsignal, NLS),从而将其定位到细胞核内介导基因组编辑。


  那么韩春雨副教授研发的基因编辑技术价值在哪里?通过研读韩教授发表的文章《DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute》和本人对基因编辑技术研究进展的分析,认为主要价值有以下三个方面:


  1.这是一项我国原创的新技术,完全可以与现在国内外推崇的CRISPR/Cas9基因编辑技术相抗衡,2016年4月“以Argonaute核酸酶为核心的基因编辑技术”获得了我国的专利保护,专利号201510971234.5,发明人是沈啸和韩春雨,韩副教授作为合作研究者在该技术的研发中发挥中十分重要的作用,我国在基因编辑技术的研发领域占有了一席之地。


  2.公开了一种以Argonaute核酸酶为核心的基因编辑技术。在10-50℃条件下,用5’端磷酸化的单链DNA短链(24bp左右长度)作为向导序列,相比CRISPR/Cas9不需要PAM特异识别序列和二级结构要求。通过独创的Argonaute核酸酶对靶向DNA包括哺乳动物的基因组的任意位点进行包括内切、删除、引入突变、外源序列插入、片段置换等方面的编辑,同样达到基因灭活、基因突变、导入外源基因等效果。


  3.该技术具有操作简单、效率高、低脱靶高保真的特点,几乎任何基因组位点都能被Argonaute核酸酶靶向特异切割,实现高特异和高效率的基因靶向编辑。主要表现在:对靶序列没有特别要求,在GC含量高的靶序列拥有同样高的切割性,相比CRISPR/Cas9效率明显高。其次,哺乳动物罕有5’磷酸化的单链DNA,基本不存在被其它非向导DNA误导脱靶的可能,也保证了其靶向编辑效果。再次,该技术中的向导DNA与靶序列间如果有1个碱基对的错配就会造成切割效率大大降低,存在3个碱基错配会造成切割活性的丧失,所以相对CRISPR/Cas9,更具有高特异性编辑的特点;最后,因为该技术的向导序列是DNA,转染细胞简单而且剂量可控,操作更加便捷。


  总体来说,韩副教授所做的“以Argonaute核酸酶为核心的基因编辑技术”原创性高,操作简单高效、能实现包括哺乳动物各类生物基因组任何位点的基因进行自由编辑,靶向性好,在大规模基因的功能研究和应用上有广阔的应用前景,随着对生命过程机理的研究和认识深入,21世纪成为生命科学的世纪就迈出了坚实的一步,因此,该技术也有很高的商业开发价值。我校是以生命科学为特色的高校,韩副教授为我们做出了表率,他的事迹告诉大家:科研的关键在于人,普通高校的青年教师也能做出世界一流成果,我校有一大批从事生命科学教学和研究的教师,只要扎根武生院,坚定科研的信念,将来同样大有可为。



                                                



TAG: 副教授 技术 价值

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