基因组编辑与未来

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1.简介

自从发现DNA以来,已经发展了多种技术来对生物进行基因操纵,以改善农业和工业应用。下一代测序技术使鉴定不同基因和DNA突变变得更加容易。现在,已投入大量时间使用的转基因生物和克隆技术是该领域进步的直接结果。在过去的几十年中,这些克隆技术已被广泛用于医疗,农业,工业和研究领域。然而,尽管有所有的发展和进步,仍然需要精确且准确的更高级的基因编辑技术。在过去的十年中,可编程核酸酶用于基因修饰的用途有所增加,因为它具有治疗各种遗传性疾病和癌症的潜力。在过去的十年中,出现了三大类可编程核酸酶-锌指核酸酶(ZFN),转录激活因子样效应核酸酶(TALEN)和成簇的规则间隔的短回文重复序列(CRISPR)相关的Cas9(CRISPR / Cas9) 。

2.锌指核酸酶(ZFN)

ZFNs是最早开发的基因组编辑工具,具有更精确的基因改变能力。 ZFN由两个结构域组成,即重复的锌指蛋白(ZFP),其DNA结合结构域与FokI限制性核酸内切酶的非特异性DNA切割结构域融合。 ZFN用作二聚体,其中每个单体单元都具有通过锌指DNA结合结构域识别9至18个碱基对(bps)的DNA的能力。有许多锌指结构域可以识别不同的DNA三胞胎。这些可以连接在一起以生成可靶向多种可能的DNA序列的聚二甲基锌指蛋白。然而,脱靶编辑/突变是与基于ZFN的基因编辑相关的主要关注。因此,有足够的空间来提高该过程的效率。

3.转录激活子样效应核酸酶(TALENs)

TALEN已经成为基因组编辑中ZFN的替代物。与ZFN相似,TALEN包含两个与FokI核酸内切酶结构域融合的可编程DNA结合结构域,并通过引入双链断裂(DSB)起作用。转录激活因子样效应子(TALE)是自然分泌的 黄单胞菌属。 与宿主生物体DNA结合的细菌。 TALE DNA结合结构域是具有33-35个氨基酸的多个重复,其中每个重复识别单个核苷酸。 TALE DNA结合结构域的特异性是由于每个结构域中12和13个氨基酸位置均存在超可变区。因此,可以通过修饰超可变区中的这些氨基酸残基并将不同的TALE重复序列连接在一起来产生序列特异性TALEN。

4.簇状规则间隔的短回文重复序列(CRISPR)相关的Cas9(CRISPR / Cas9)

除ZFN和TALEN外,CRISPR / Cas9是另一种迅速出现的基因编辑工具。它是一种天然细菌系统,可作为细菌适应性免疫的组成部分。它通过Cas蛋白质通过RNA引导的DNA切割,为细菌免受入侵的病毒和质粒提供保护。 CRISPR / Cas9系统的三个主要组成部分-CRISPR RNA(crRNA),反式激活crRNA(tracrRNA)和Cas9酶。 crRNA从入侵系统转录而来,称为原间隔子序列,并与tracrRNA杂交,后者触发Cas9核酸酶并结合至DNA切割位点并充当碱基。与ZFN和TALENs系统使用不同的识别蛋白识别给定基因组序列中的特定序列不同,CRISPR / Cas系统使用与靶基因组序列互补的RNA序列。 RNA杂交在位点特异性切割中的优势触发了嵌合“向导” RNA(gRNA)在基因组编辑中的使用,该基因组编辑是通过将crRNA和tracrRNA融合在一起而产生的。 gRNA包含20个核苷酸的指导序列,旨在与特定的DNA序列结合。因此,gRNA和Cas9能够扫描适当的位点并与其结合,以产生位点特异性双链断裂(DSB)。因此,与以前的技术相比,CRISPR / Cas9系统提供了一种相对更准确的基因编辑技术,可用于广泛的应用。

5.基因组编辑技术的应用

基因组编辑技术可广泛用于治疗各种遗传性疾病。基因组编辑系统已成功用于编辑患有不同遗传性疾病患者的人类细胞基因。除了治疗性基因组编辑外,基因组编辑技术还可广泛用于合成生物学和基因组规模工程。例如,为了改变或突变细菌或酵母的基因组以生产工业上重要的次级代谢产物;或用于修饰生物菌株以提高在任何生物学上重要的转化反应中的效率。

基因组编辑工具也可以非常有效地用于靶向基因调控。例如,加速受损组织的伤口愈合,抑制病毒复制,抑制癌症和降低耐药性可能是基因编辑工具的一些重要应用。

6.知识产权与基因组编辑

由于不同的基因编辑工具具有改变广泛基因的能力,因此基因编辑工具的使用在经济和商业上具有重要的意义。因此,重要的是寻求与这样的系统及其应用相关联的发明的法律保护。植物,转基因植物和转基因生物新品种的专利已经存在很长时间了,并取得了巨大的商业成功。现在,基因组编辑机制及其在不同技术领域(尤其是在卫生保健科学领域)的影响正在掀起新的浪潮。与分子生物学相关的发明,特别是基因工程,是否根据现有专利法可申请专利,还是需要进行特定的修改,仍是各界争论的话题。尽管有这个事实,基因组编辑工具领域中的发明却以显着的速度加速发展。专利授予和许可实践也是如此。例如,ZFN的关键知识产权归Sangamo拥有,它还被Sigma-Aldrich和其他公司许可用于其商业和治疗用途。同样,TALEN已因其在各种商业价值领域的潜力而被许可给Thermo-Fisher。 CRISPR / Cas9在基因编辑方面的最新突破引发了人们对基于生物技术的创新的浓厚兴趣。加州大学伯克利分校和Broad Institute之间的合法权利之争仍在继续。 CRISPR / Cas9系统可产生的丰厚收益并没有阻止CRISPR / Cas9向不同公司的应用许可和进一步改进的许可/次级许可。例如,Excision BioTherapeutics是第一个独家许可由詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)团队(UC Berkeley)在2016年发现的新型CRISPR系统的独家授权。此外,欧洲专利局还向MilliporeSigma发布了有关CRISPR技术的“授权意向书”。同时,法国生物技术公司Cellectis已获得在T细胞中使用CRISPR的欧洲专利。因此,很明显,与分子生物学相关的创新的最新出现正成为各种生物医学解决方案的新魅力。因此,在不断发展的生物科学中,此类新发明的开发及其法律保护至关重要。

7.经济学与未来展望

当前的基因组编辑技术带来的经济利益似乎远非估计。预计到2022年,基因组编辑市场将增长到$62.8亿。预计主要增长将出现在CRISPR技术中,同时细胞系编辑和用于诊断目的的研究也将做出重大贡献。此外,在不久的将来,针对治疗的基因操作似乎将占主导地位,这可能会带来新的治疗方法和医疗领域的增长。例如,在加利福尼亚州奥克兰市的UCSF贝尼奥夫儿童医院,世界上首次尝试编辑患有亨特氏综合症的患者的基因。

8.结论

到目前为止,很明显,当前的基因编辑机制更加精确,具有广泛的应用范围,而没有更大的伦理和生理影响。因此,不可避免的是在该领域更大的财务优势和不断的改进。同样,合理的研发,正确的目标识别和知识产权保护对于开发下一代治疗剂,生物产品和工艺也非常重要。

 参考文献:

作者姓名:

Punit Talwar

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