《导学案-基因编辑》由会员分享，可在线阅读，更多相关《导学案-基因编辑（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基因编辑技术导学案问题一：什么是基因编辑技术？问题二：基因编辑技术能做什么呢？导入：人类遗传病是当今医学的大难题之一，例如镰刀型细胞贫血症，是1949年世界上最早发现的第一个分子病，由此开创了疾病分子生物学。其分子病理是基因发生单一碱基突变，正常基因第6个密码子为GAG，编译谷氨酸突变后变为GTG编译缬氨酸，这种单个氨基酸的替代即形成HbS。（血红蛋白S病有3种主要形式:纯合子状态即镰状细胞贫血;杂合子状态，即镰状细胞性状;血红蛋白S与其他异常血红蛋白的双杂合子状态，包括血红蛋白S-珠蛋白生成障碍性贫血、血红蛋白C病、血红蛋白D病等。）其次还有范可尼贫血症（Fanconi anemia）和X连
2、锁肾源性尿崩症（X-linked nephrogenic diabetes insipidus）等。于是，人们的愿望是是否存在一种技术能让定向的改造我们的基因，从而达到治疗的效果呢？什么是基因编辑技术？之前我们在生物教材中基因工程部分学过一些对基因定向改造的方法了，我们知道了限制性内切酶和DNA链接酶是其中关键的两个工具。在生物细胞中，人工核酸内切酶进行基因编辑的第一步是在修饰位点诱导产生DNA双链断裂缺口，生物中核酸酶诱导产生的DNA双链断裂缺口可借助非同源末端连接机制或同源重组(homologous recombination,HR)机制进行修复。将断裂的双链末端直接连接起来,可有效地引起
3、基因的插入/缺失突变，从而使基因的功能遭到破坏；当引入模板DNA序列时,可通过同源重组修复(HR),插入或删除特定的基因序列。因此,人工核酸内切酶被称为“DNA剪刀”，例如这种类似的“剪刀”有很多（例如第一代：锌指核酸内切酶(zinc finger endonuclease,ZFN)和第二代：类转录激活因子效应物核酸酶(transcription activator-like effector nuclease,TALEN) 于洋,王柳,周琪.哺乳动物体细胞核移植研究进展J.生命科学(YU Yang,wang Liu,zhou qi.Somatic cell nuclear transfer
4、in mamals history,progress and perspectivesJ.Chinese Bulletine of Life Sciense,2009,21(5):647-651.但是人工核酸内切酶制备复杂,成本昂贵,难于开展大规模基因编辑的筛选,使其应用有所局限。近年来，(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)的应用使得基因组编辑技术进一步简化， CRISPR-Cas9技术作为第3代人工核酸内切酶迅速成为目前研究的热点，席卷了整个生物界；其中RNA介导的CRISPR/Cas9系统以其简便性、高效性和
5、经济性等优点而被广泛应用于生物医学研究领域 CRISPRCas9介导的基因组定点编辑技术，生物化学与生物物理进展 1000-3282 年:2013 卷:40 期:08 页:691 -702。那么这个基因编辑工具到底是如何工作的呢？什么是CRISPR-Cas9？CRISPR广泛存在于细菌和古细菌的基因组中,是细菌和古细菌的一种适应性免疫系统，细菌和古生菌DNA中一连串作为原始免疫系统基础的重复序列，能够帮助细菌用来“记录”病毒入侵者的DNA，Cas9是一种蛋白质，可以识别在CRISPR中存储的特殊序列，并通过序列匹配剪掉识别的DNA。因此该系统可以介导外源DNA的降解,从而抵御病毒等外来入侵者
6、Wiedenheft Blake,Sternberg Samuel H,Doudna Jennifer A. RNA-guided genetic silencing systems in bacteria and archaea.J. Nature,2012,482(7385).- Terns Michael P,Terns Rebecca M. CRISPR-based adaptive immune systems.J. Current opinion in microbiology,2011,14(3).。1987年,日本学者首次在大肠杆菌中发现该间隔重复序列 Ishino Y,Shi
7、nagawa H,Makino K,Amemura M,Nakata A. Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product.J. Journal of bacteriology,1987,169(12).,2002年，该结构被正式命名为CRISPR。CRISPR是“Clustered Regularly Interspaced Short
8、Palindromic Repeats”(规律成簇的间隔短回文重复)的缩写。虽然CRISPR-Cas9在90年代就被发现，但是直到2012年科学家研究成果有了新的发现。科学家把CRISPR-Cas9这一体系从细菌中取出，再引入那些组成更复杂动植物的真核细胞，情况发生了变化：当我们切断细菌的DNA时，那么会杀死它；但在真核生物中，当我们剪切DNA时，会激活一种修复机制，从而开启了重写DNA的可能3, Jinek Martin,Chylinski Krzysztof,Fonfara Ines,Hauer Michael,Doudna Jennifer A,Charpentier Emmanuell
9、e. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity.J. Science (New York, N.Y.),2012,337(6096). CRISPR-Cas9的原理介绍CRISPR比其他技术有一个重要的优势，即它使用起来更加容易，也更快。以前的大多数技术都需要从头开始创建分子，以便在特定的DNA序列中做出改变。在CRISPR中，同样的Cas9分子可以通过简单合成，提供一个向导RNA(guide RNA)分子来靶向到任何序列 Musunuru Kiran. The Hope and
10、 Hype of CRISPR-Cas9 Genome Editing: A Review.J. JAMA cardiology,2017,2(8).。CRISPR-Cas9能做什么？从理论上讲，CRISPR可以用来修改几乎所有生物的DNA，以适应各种不同的应用。在生物技术和制药公司，CRISPR正在成为药物发现的常用工具。在实验室里，基因编辑工具已经非常流行，并被许多人用来修改从细菌、蠕虫到老鼠、猪、甚至猴子等种属的基因组。这对于我们研究任何感兴趣的基因功能都是非常有价值的，无论是引起疾病的基因，还是能够提高作物产量的基因，或是那些在恶劣条件下都能生存的基因。值得注意的是，像农作物经CRIS
11、PR-Cas9改造并不等同于传统的转基因技术，因为这一技术并不引入外来的物种基因，而是通过经典育种技术再配合一些DNA的精确调整，方便得多。CRISPR用于人类治疗有两种主要方法：体外基因编辑步骤包括提取人体细胞，在实验室进行改造，并将它们重新注回患者体内。这种方法类似于已经在市场上使用的大多数基因疗法，并且它允许更多的控制参与过程。然而，如果每个病人都需要个体化的制造过程来完成治疗，相关疗法的价格将会非常昂贵。体内基因编辑利用载体将CRISPR-Cas9送到患者体内，直接从细胞内编辑DNA。CRISPR可以通过纳米粒子等载体完成传递或编码成DNA，一旦完成任务，就可以被清除出体外。人类DNA
12、编辑，安全性与伦理性讨论（社会热点）安全性和伦理性，这两个都是目前人们遇到的最大问题。最近的一项研究指出，由于Cas9蛋白天然存在于能够感染人类的细菌中，我们中的许多人自身免疫系统早已经准备好来攻击它了。这种免疫应激不仅会使治疗无效，而且还可能引起严重的副作用。即使CRISPR被证明在人类中是安全的，编辑人类的基因组又是否合乎伦理呢？这项技术目前的应用旨在治疗遗传性疾病，看起来还是简单明了的。但是如果我们想给这一技术设置一条红线，这条线应该画在哪里，以避免其成为那些违反伦理学，比如优生的技术工具呢？CRISPR-Cas9疗法的参与者自从2012年第一批研究将CRISPR-Cas9作为基因编辑工具以来，许多公司都是由该技术的开发人员所建立的。比如瑞士的CRISPR Therapeutics公司，Emmanuelle Charpentier就是其共同创立者之一。该公司最近宣布，将于2018年开始在欧洲进行第一个CRISPR临床试验，用来治疗-地中海贫血疾病，他们打算利用体外方法，对病人的造血干细胞完成体外转基因。在法国，Cellectis公司被批准使用CRISPR技术来制造人类T细胞，并将其用于其CAR-T疗法来对抗癌症。
