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漫话基因剪刀和基因编辑(二):好用的剪刀和得力的搬运工 精选

已有 7339 次阅读 2017-9-30 23:00 |个人分类:科普文章|系统分类:科研笔记| 基因编辑, 质粒, 基因运载体

比较喜欢用基因修饰(genetic modification)这个名词,它准确描述了人类要做的事情——了解了生命遗传基因的秘密后,就要想办法根据我们自身的需要,对其进行修修改改,这既是科学探索的重大诱惑,也应该是造福人类的重要手段。


人类以微生物为对象的基因操作已经取得了相当大的成功,不仅可以利用基因修饰过(也可以说是脱胎换骨的改造)的微生物作为活的工厂,为人类生产药物等,还发现了微生物的许多遗传秘密,为人类向高等生物的基因修饰进军铺平道路。  

细菌中发现的CRISPR系统为人类进行高等哺乳动物和植物的遗传修饰提供了强大的工具,让我们看到了人类改造生命的光辉前景。抛开通过遗传修饰治疗人类疾病不说,新型基因剪刀将大大加快我们动植物的遗传育种的速度。

植物的分子育种,或者说基因工程已有二三十年的历史,但自从有了“转基因”这个词,让这项技术蒙上了阴影。我想多数人还是赞成通过基因修饰的方法使农业发展走上捷径,人类健康看到新的希望。

这个时代,传统遗传育种必然插上分子手段的翅膀。奔波于田间地头、搞传统育种、选种的科学工作者和在实验室里摆弄各种仪器、瓶瓶罐罐的分子生物学家,都值得尊重。传统品种选育和看似更先进的分子育种,都是农业科研的重要手段,可以相互促进,相互补充。

袁隆平的水稻除镉技术,用到了基因敲除,属于基因修饰的一种方法,是分子育种的手段。上文谈到基因剪刀可以用来进行基因敲除,当然,这个过程并不是剪一剪子两剪子这么简单,敲除也不一定是真的把承载基因的那段DNA弄掉,比如,使密码移位,失去表达意义,效果也是一样的。基因敲除是遗传修饰的重要手段。其实不管是添加一个或几个有利基因到生物体内,还是去除几个不利基因,性质是差不多的,都是从分子水平改变生物性状,大大加快生物进化进程。

基因编辑将大显身手,因为我们有了CRISPR/Cas9这个宝贝,重要的是,它在高等动物、高等植物、乃至人类细胞的基因修饰上都有效。所以,人类从分子水平上改造生命的步伐又向前迈进了一大步。

不知道即将浮出水面的2017诺贝尔生理学或医学奖会不会与基因编辑扯上关系。

但要进行基因编辑,基因从哪里来?如何把基因运进车间?编辑完了又如何送回目标植物细胞?如何才晓得编辑成功?

本文想说一说完成基因编辑这个复杂工程,非常有用的工具,它们专门用来运载基因,就是质粒和噬菌体。当然,它们的应用同样也离不开基因剪刀。

质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中,植物的叶绿体和线粒体等胞器中也发现它们的身影。大部分的质粒为环状构型,但也存在线形质粒。这家伙游离于细胞DNA之外,看起来像吃闲饭的,生物学家让它们派上了大用途:充当基因“搬运工”。

质粒不仅可以在细胞体内独立复制并遗传下去,还有一个最大的特点就是具有浸染功能,它可以从一个细菌浸染另一个细菌,并且赋与它一些新的特性。  科学家们利用基因剪刀把质粒DNA的环切开,将选中的目的基因接上,再使它去浸染大肠杆菌等微生物。这样,搭质粒这个运输车辆,外源基因就顺利进入生物细胞,进行繁殖扩增。


借助于质粒这个运载体,科学家们可以很方便地得到基因编辑需要的素材。但质粒只能容纳小的基因片段,应用比较受限制。除了质粒之外,噬菌体也可以充当很好的搬运工,还常用来建立基因文库,也就是基因图书馆。

噬菌体这种专吃细菌的病毒,结构简单,比较好欺骗,科学家们采取“偷梁换柱”法,把噬菌体DNA中不重要的序列去掉,换上外源基因,这些傻傻的家伙往往发现不了,稀里糊涂就当成了自己的家庭成员,带着这些外来户继续侵染其它细菌,这样,就会产生更多包含外源基因的噬菌体,供人们使用。利用噬菌体运载储存外源基因,最大的好处是比质粒携带的多得多,可以携带长碱基序列。

不过,在转基因植物培育过程中,常利用的土壤农杆菌及其Ti质粒,名气还是很大的。培育转基因植物,大多离不开它们牵线搭桥。这里不细说了。在转基因科普中,很少谈到技术细节,可能因为实在不容易讲清楚或者还有其他原因吧。

依靠细菌质粒或噬菌体为运载体,可建立起以细菌或噬菌体形式保存的基因库,什么时候想用某一个基因了,先对它们进行筛选,其后用挂着特定"鱼饵""钓鱼杆",将上钩的基因钓出来,就可以进行编辑了。

   
库存的基因品种不能太多,否则选择起来太麻烦,为了使基因库里的"货物"种类有所集中,人们用另外一种方法建库,就是在某一种蛋白质(比如A蛋白)表达的鼎盛期取来生物样品,分离出蛋白质的模板--mRNA, 然后以mRNA为模板,合成DNA。这个过程和生物体内信息流的方向是相反的,因此称为反转录。由反转录产生的DNA,叫cDNA。这时候再按照上面建DNA库的方法建立基因库,就得到cDNA库,在这样的库里,A蛋白的基因肯定多,因此想找到A蛋白的基因,就容易多了。

   
袁隆平院士成功找到了水稻中专门喜欢镉的捣蛋基因,并依靠一系列基因工程的操作手段把它们敲掉,但愿这种被敲掉捣蛋基因的稻子尽快造福我们。当然,实验成功只是走出了第一步,新的种类走入千家万户,还需要反复的筛选,大田实验、安全性分析,等等,有很长的路要走。但有了基因编辑新手段,会大大加快农业育种的速度,造福人类,难道这不是好事吗?

CRISPR/Cas9系统,
更先进的剪刀工具,在基因搬运工等等的帮助下,将带给我们更优良的作物,据报道,2020年,将有一种基因编辑修饰的新的玉米品种上市,实际就是常见的粘玉米,被敲掉了产直链淀粉酶的编码基因而已,分子育种的产物,与转基因育种一样,都是动了植物基因组这个大盘子,看起来不自然了。但在自然界中,这样的改动一直在发生,只不过基因编辑,分子育种,使这个进程大大加快了。




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