基因编辑——破解上帝的密码
2020/10/7 21:43:58 生物流BioStream

     免疫系统对人类和动物个体的生存具有重要作用。我们防御病毒、细菌的侵染，实际上是免疫系统在发挥作用。

     我们知道，当细菌或病毒入侵人体细胞时，人类通过激活免疫系统，使用吞噬作用、产生抗体进行体液免疫等方式，消灭细菌或病毒。

    

     这是站在人类的角度来看的。

     如果我们站在细菌的角度，就会发现，细菌虽小，但它们和人类一样，也需要所谓的免疫系统来防御外界的侵染。

     例如，有一类病毒称为“噬菌体”，顾名思义，“噬菌体”就是能够侵染细菌的一类病毒。

     那么，当噬菌体入侵细菌时，细菌又是如何应对的呢？

    

     CRISPR/Cas9系统

     这里就涉及到基因编辑工具CRISPR/Cas9的发现。

     最近一直比较火的CRISPR/Cas9系统到底是什么呢？

     实际上，CRISPR/Cas9是细菌或古细菌在面对病毒入侵时出现的适应性免疫系统。

    

     CRISPR/Cas9

     病毒入侵细菌

     病毒是如何入侵细菌的呢？

     病毒入侵细菌时，通常会将自己的基因组DNA或RNA注入到细菌的细胞内。而病毒注入的这段基因会整合到细菌的基因组中。

     图中我们可以看到，噬菌体吸附到细菌表面以后，通过外壳上的蛋白，打开一个通道，将内部的基因释放出来。这段基因透过细菌的细胞膜，就能够进入细菌内部。

    

     病毒将基因注入到细菌体内

     病毒的基因进入细菌细胞后，会插入到细菌的基因组内部。对细菌来说，这将是致命的。

     可以想象，如果细菌的基因组中含有病毒的基因，那么，病毒可以利用细菌的营养物质，合成自己所需要的蛋白，并且进行复制，包装成更多的病毒颗粒，最终病毒将占领整个细菌的细胞。

     因此，细菌绝对不能让病毒的阴谋得逞。在病毒注入基因时，细菌就要想方设法地阻止这段病毒基因，不能让病毒的基因发挥功能。

     细菌阻止病毒基因发挥功能

     细菌如何阻止病毒基因呢？

     研究发现，细菌会启动自身的适应性免疫系统，这个系统就是我们前面提到的CRISPR/Cas9系统。

     病毒基因进入细菌后，细菌会迅速获取病毒基因的序列。随后，细菌会将获取的病毒序列整合到自己基因组内的一个特定位点——CRISPR位点，从而获取对病毒的抗性。

     什么意思呢？

     病毒想要把基因整合到细菌的基因组，而此时，细菌先发制人，先获取这段病毒基因序列，将其整合到自己想要整合的位点，掌握主动权。之后再来想办法来对付这段病毒基因。

     目前已经发现了三种不同的CRISPR机制，研究最广泛的是第二类CRISPR系统。这个系统主要通过三步反应来应对外来入侵者，分别是获取(Acquisition)、表达(Expression)和干扰(Interference)，如下图所示。

    

     CRISPR/Cas系统作为细菌适应性免疫的机制

     细菌的具体防御过程是怎样的呢？

     获取(Adaptation)

     首先，细菌要获取入侵者的DNA序列(Adaptation)。

     病毒的DNA进入细菌体内后，除了病毒本身会去将自己的基因整合到细菌基因组中以外，细菌会将其DNA切成多个短重复序列(~20bp的Repeats)，并在这些短重复序列的中间分别加入空格(Spacer)，插入到细菌基因组上Cas的基因位点上去。这个插入位点称为CRISPR阵列(CRISPR Array)。

    

     CRISPR，即Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，翻译过来就是规律间隔的成簇短回文序列。而Cas，即CRISPR相关(associated)蛋白；Cas9就是CRISPR相关蛋白9。Cas9是一个核酶，能够切割核酸。

     表达(Expression)

     然后，细菌要合成多条短重复序列的RNA(crNA biogenesis)。

     CRISPR阵列的DNA被转录出前体RNA(Precursor)，并切割成为成熟的CRISPR RNA(crRNA)。Cas9基因也被转录出来并合成蛋白质。

     干扰(Interference)

     最后，细菌需要干扰病毒基因的合成(Targeting)。

     crRNA会指导Cas9到达基因组上与其同源的位置，即病毒基因的位置。Cas执行切割基因的功能，从而破坏病毒基因，达到细菌抗病毒的目的。

    

     CRISPR/Cas9在细菌免疫中的步骤

     由于细菌具有这种防御机制，即使病毒的基因插入到基因组内，也会被Cas9破坏掉功能。因此，细菌就能够抵制病毒，保护自己。

     破解上帝的密码

     在上面这个系统中，最后一步发挥效应阶段的机制是具有重大意义的。这种意义甚至可以帮助人们破解上帝造物的密码，成为对密码进行改造、加工甚至创造新密码的基础。

     最后一步短小的crRNA可以像向导一样，带领效应酶Cas到达基因组的特定位点，进行DNA切割。

     它不仅能够切割病毒的基因，还能够被设计成编辑哺乳动物基因组的工具。

     我们知道，哺乳动物包括人类的基因组从受精卵开始就是确定的了。尽管染色体基因组是父母赐予我们的，但这更像是上帝造人时随意编造的密码，人类一直处于接受这个密码的状态，没有方法去改变。

     而就是这样一个最简单的细菌防御机制——CRISPR/Cas9系统，就打开了编辑基因的大门，让人类能够有方法去像上帝一样编造密码。

     当然，使用基因编辑工具对人类基因组进行改造仍有伦理问题，人类不能随意去充当上帝的角色。

     CRISPR/Cas系统分类

     实际上，CRISPR/Cas系统的效应酶并不止Cas9一个，而是有很多类型的Cas酶。

     根据最后切割基因的效应酶是多个Cas还是单个Cas，CRISPR/Cas系统可以分为两个大类。多个Cas发挥作用的是第一大类，单个Cas发挥作用的是第二大类。

     两个大类中包括目前已知的CRISPR/Cas共包括6个类型：I型到VI型。其中第一大类包括I型、III型和IV型；第二类包括II型、V型和VI型。

    

     第一大类和第二大类CRISPR/Cas系统

     目前应用最广泛的Cas9就属于第二大类中的II型CRISPR系统。

     由于第二类CRISPR/Cas系统仅使用单个效应酶，因此应用简单，科学家对其研究也最多。这一类系统中的三个类型，对应的效应酶分别为II型对应Cas9；V型对应Cas12；VI型对应Cas13。后续我们可以详细介绍。

    

     总结

     与传统的基因编辑工具相比，CRISPR/Cas9系统作为基因编辑工具，更加简单，也更具可操作性。

     这个工具的开发来源于对细菌中防御机制的发现。科学家们对CRISPR/Cas系统的改造使得哺乳动物的基因编辑成为可能。

     目前仍有很多新的Cas酶被持续发现，越来越多的工具开发使得人类对于基因编辑更加熟练。基因编辑工具的前景广阔，有望能够应用到肿瘤、神经退行性病变等各种疾病的治疗中，为人类的健康贡献力量。(生物流系头条号签约作者)

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