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    什么是基因編輯技術?(下)

    發布時間: 2024-06-05  點擊次數: 606次

    四、轉錄激活樣效應因子核酸酶技術(TALEN)

    轉錄激活樣效應(Transcription Activator-Like Effector, TALE)核酸酶(Nucleases, TALENs)是一種基因編輯工具,其工作原理與鋅指核酸酶(ZFNs)類似,但是它們使用不同的DNA結合蛋白。TALEN是一種人工制造的蛋白質,由兩部分組成:一個DNA結合域(TALE)和一個FokI核酸酶。


    1、TALE DNA結合域

    TALE蛋白是由植物病原體Xanthomonas細菌產生的,它們可以識別并結合到植物基因中的特定序列,進而改變植物的基因表達。TALE蛋白的DNA結合域由多個重復的氨基酸序列組成,每個重復序列由34(或35)個氨基酸組成,可以識別并結合一個DNA堿基。這種結構使得TALE蛋白可以高度特異地識別并結合到特定的DNA序列。TALE基序串聯成決定靶向性的DNA識別模塊通過與FokⅠ結構域連接,就形成了TALEN結構。


    2、TALEN技術的優點和挑戰

    TALENs的DNA識別模塊由一系列的轉錄激活樣效應物(TALE)基序組成,每個基序可以識別并結合一個DNA堿基。這種一對一的識別模式使得TALENs能夠非常精確地定位到基因組中的特定位置。此外,TALENs使用的FokI核酸酶與ZFNs中的相同,這也保證了TALENs有與ZFNs相當的切割效率。

    當然,TALENs也存在一些局限性。首先,由于TALENs的尺寸要大于ZFNs,因此它們在某些應用中可能會受到限制,例如,較大的尺寸可能會影響到TALENs在細胞中的傳遞效率。其次,TALENs的DNA識別模塊包含大量的重復序列,這可能會增加在大腸桿菌中組裝TALENs編碼基因的難度。然而,這些問題可以通過各種策略來解決,例如使用特殊的組裝方法或改進的傳遞系統。

    五、成簇規律間隔短回文重復序列-相關核酸酶技術(CRISPR-Cas)

    CRISPR-Cas(成簇規律間隔短回文重復序列-相關核酸酶)系統是一種在細菌和古菌中發現的自然免疫機制,用于防御病毒和外源質粒。目前這個系統已經被廣泛應用于基因編輯。

    CRISPR-Cas系統主要由兩個組成部分構成:CRISPR序列和Cas蛋白。

    CRISPR序列:CRISPR是一段DNA序列,由短的重復序列(repeat)和間隔序列(spacer)組成。重復序列高度保守,而間隔序列則來源于過去入侵的病毒或質粒,因此是特異的。

    Cas蛋白:Cas蛋白是一種核酸酶,能夠切割DNA或RNA。Cas蛋白的種類很多,其中最著名的是Cas9蛋白,被廣泛用于基因編輯。

    什么是基因編輯技術?(下)

    CRISPR-Cas系統的工作過程可以分為三個階段:

    適應階段:當病毒或質粒入侵時,細菌或古菌會從入侵者的基因中切割出一段DNA,然后插入到自己的CRISPR序列中,形成新的間隔序列。


    表達階段:當同樣的病毒或質粒再次入侵時,細菌或古菌會將CRISPR序列轉錄成RNA(稱為crRNA)。這些crRNA含有來自間隔序列的部分,因此可以識別入侵者的基因序列。


    干擾階段:crRNA會引導Cas蛋白找到并切割入侵者的基因,從而防止入侵者的復制。


    CRISPR-Cas系統的原理:

    在CRISPR-Cas9系統中,科學家們通常將crRNA和另一種名為tracrRNA的RNA被設計成一個單一的導向RNA(sgRNA)。sgRNA可以引導Cas9蛋白精確地切割目標基因。

    設計sgRNA:首先,需要設計一個sgRNA,它的目標序列與你想要編輯的基因序列相配對。sgRNA通常由一個20個核苷酸的目標序列和一個與Cas蛋白結合的骨架序列組成。


    sgRNA和Cas蛋白的結合:然后,sgRNA會結合到Cas蛋白上,形成一個sgRNA-Cas復合體。在這個復合體中,sgRNA負責識別目標DNA,Cas蛋白負責切割DNA。


    DNA識別和切割:sgRNA-Cas復合體會在細胞中尋找與sgRNA目標序列配對的DNA序列。一旦找到,Cas蛋白就會在這個地方切割DNA,產生一個雙鏈斷裂。


    DNA修復:細胞會啟動自身的DNA修復機制來修復這個雙鏈斷裂。如果在雙鏈斷裂發生的地方提供一個含有所需突變的同源模板,那么在修復過程中就會將這個突變插入到基因中,從而實現精確的基因編輯。


    什么是基因編輯技術?(下)

    CRISPR-Cas系統的優點是它的操作簡單,特異性高,可以在任何生物體內實現精確的基因編輯。然而,它也有一些缺點,比如可能產生非特異性切割,或者在修復過程中產生意外的突變。

    小結

    基因編輯技術已經在生物科學研究和應用中起到了革命性的作用。從早期的鋅指核酸酶(ZFN)和轉錄激活樣效應因子核酸酶(TALEN)技術,到現在廣泛應用的CRISPR-Cas系統,基因編輯技術的發展不僅提高了我們對生命過程的理解,也為治療遺傳疾病、改良農作物和開發新的生物技術提供了強大的工具。雖然這些技術都有各自的優點和挑戰,但是它們的出現無疑已經極大地推動了生物科學的進步。相信在未來,隨著基因編輯技術的進一步發展和優化,我們期待能夠看到更多的基因編輯應用,從而更好地服務于人類社會。

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