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漫话基因剪刀和基因编辑(一):细菌是功臣 精选

已有 2463 次阅读 2017-9-12 22:16 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦|关键词:基因剪刀 限制性内切酶

基因编辑近来很火。基因编辑所用的工具叫基因剪刀。可随便问一个不懂生物技术的人,啥叫基因剪刀,话少的人可能会说“不知道”,话多的人可能会回答,“那还用说,基因剪刀就是用来剪基因的呗,就像裁缝手里的剪刀是用来剪布料的。”哈哈,这看似也没错,不过,这字面解释好像说了跟没说差不多。

基因剪刀与普通剪刀的区别除了是分子构成、小得看不见,摸不着,最得重要的是它们是长眼睛、智能化的,能识别剪哪里不剪哪里,不会乱来,所以,也可以称它们是长眼睛的“分子手术刀”。

生命科学发展迅速,新名词层出不穷,比如,基因编辑最近就火的不行,仿佛人的基因也快可以随便编辑修修改改、定制人类了。其实还远着呢,因为人类虽然完成了一些生物(包括自身)的DNA测序,但对很多能称之为基因的DNA片段管啥的还说不清楚。

就好比一本书,每个字我们都认识,但字连起来的句子我们并不知道是啥意思,所以在很大程度上,DNA碱基排列构成的基因序列,还像本天书。

基因剪刀的重要作用之一,是可以帮助人类搞清这本天书的意思,接下来动手脚就好办多了。

当下时髦的基因编辑工具(俺还是习惯称它们为基因剪刀),比如那个CRISPR/Cas9,其实与上世纪在细菌体内发现的一类核酸内切酶——限制性内切酶异曲同工。

由于限制性内切酶的发现,才开启了基因工程的新篇章。事情大致是这样的:

上世纪50年代,DNA双螺旋结构被发现,60年代,揭示了遗传密码的秘密,然后,人类就生出了很多对基因进行“施工”,从而揭示其秘密,进而改造生命的梦想。

既然DNA在染色体上呈线性排列,基因就存在于DNA的碱基序列之中。那么,科学家们就可以切开一段基因,把它同另外一段基因联结到一起,制成重组DNA,从而改变生物体的性状。于是是重组DNA技术——伟大的基因工程就要拉开序幕啦


要进行上述操作,基因剪切工具十分重要。DNA可不是想剪哪里都能如愿以偿的。DNA既看不见也摸不着,科学家们的手再灵巧,也无法直接切割基因。需要寻找专用的基因剪刀。

幸运的是,大自然赋予了科学家们神奇的施工工具。科学家们在大肠杆菌等菌类中发现了一些小巧灵活、有很强特异性的物质,它们能够识别DNA大分子链上特定的核苷酸顺序,并能在一特定部位将DNA断裂。

这种物质被称作限制性内切酶(一种蛋白质)。这类酶脾气很怪,见到外来DNA切,切得它们不能表达相应的蛋白质,从而起到限制外来DNA进入,成功抵御外来入侵的作用,因而得名。原来是细菌的免疫防御系统中得到的启示啊。

别小看细菌等微生物,它们可研究利用的地方多着呢。

目前发现的限制性内切酶有好多种,每一种(2型)都有极强的特异性,可以准确无误地进行核苷酸的识别,不会错切一刀。可以说,限制性酶切酶是世界上最小、最灵巧的分子剪刀。


借助于基因“剪刀”的帮助,科学家们可以从提取出的DNA片断中得到想要的一段。也可以有目的地从DNA长链中针对某些基因进行敲除或促其突变,从而通过观察基因缺失引起的表型变化,推测该基因的生物学功能,为人类完全读懂基因天书、改造生命奠定基础。


目前基因编辑技术中最常提到的应用比较成功的基因敲除(剪切)工具当属CRISPR/Cas9这把刀很厉害,就是名字太长,也不那么好记,算了,还是不提了。免得一大串艰涩的名词出来看着眼晕。

CRISPR/Cas9
的出身同样离不开细菌。

在生命进化历史上,细菌和病毒进行斗争产生了强大的免疫武器,简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌,利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务,细菌则为了将病毒的外来入侵基因清除,进化出CRISPR系统,利用这个系统,细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除,这是细菌特有的免疫系统。

大自然的鬼斧神工啊,真的难以想象这些人类看不起的微生物是如何做到的!生命科学的进展离不开从自然界生命中获得资源和灵感。


CRISPR
其实在绝大多数细菌和古细菌中都普遍存在,直到2005年,这一机制才逐渐被科学家们认识到。

天赐良缘。科学家们经过优化,利用细菌的这套防御系统,制造出了CRISPR/Cas9基因编辑超级剪刀。2013年,这把厉害的基因剪刀得到广泛应用。

CRISPR/Cas9
工作原理简单说,就是利用具有引导作用的单链gRNA(Guide RNA)引导核酸酶Cas蛋白(限制性内切酶)在与gRNA配对的靶位点处剪切双链DNA,引起DNA双链断裂(DSB)。

既然基因被剪切断了,生物体就要想办法修复,这一修复,八成得乱套,基因不是移码突变,就是被替换或删除,致使基因功能丧失。基因功能丧失,当然也就不能指导相应的蛋白质合成,从而对生物系统产生影响(要是能阻止肿瘤细胞蛋白质合成,岂不是天大的好事)。

哎,这样讲还是显得有些复杂,没办法,再简单真说不容易清楚了。基因编辑有点高深,一般人也不需要了解那么多吧。

CRISPR/Cas9这把基因剪刀最大的好处就是证明可以有效剪切哺乳动物、植物、鸟类、昆虫、鱼类、微生物等多种生物DNA。因此,基于CRISPR/Cas9基因编辑已具体应用于这些生物领域,有望针对他们展开低成本快速基因编辑,创造更多基因工程的奇迹,被认为前景广泛。

具体详情,下篇再试述。

总之,基因编辑不但需要长眼睛的智能剪刀,也需要浆糊,需要搬运工具、载体,等等。其中,细菌等微生物功不可没,咱其实是个微生物的崇拜者呢(才一口吞下2.4亿个细菌)。





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