2016年09月(yue)05日訊 PRKAG2心(xin)(xin)臟綜合(he)征(zheng)是由PRKAG2基(ji)因(yin)突變造成的常染色體顯性遺傳疾(ji)病，包括家族(zu)性心(xin)(xin)室(shi)預(yu)激、傳導系(xi)統病變及心(xin)(xin)肌肥厚，患者往往會出現室(shi)性心(xin)(xin)動過(guo)速和進程(cheng)性心(xin)(xin)力衰(shuai)竭。PRKAG2心(xin)(xin)臟綜合(he)征(zheng)很難(nan)治療，需要進行心(xin)(xin)臟移植。
武漢大學、中科院和(he)復(fu)旦大學的研(yan)究(jiu)人(ren)員建立(li)了(le)PRKAG2心臟綜合征小鼠模型，并通(tong)過CRISPR/Cas9基因(yin)組編輯成(cheng)功校正了(le)小鼠的PRKAG2突變(bian)。這項研(yan)究(jiu)于八月(yue)三十日發表在Cell Research雜(za)志上，文章(zhang)通(tong)訊作(zuo)者是(shi)復(fu)旦大學附屬中山醫(yi)院的主任醫(yi)師顏彥（Yan Yan）和(he)武漢大學生(sheng)命科學學院的宋(song)保亮（Bao-Liang Song）教授。
宋(song)(song)保亮原任職于中(zhong)科(ke)院(yuan)上海生(sheng)(sheng)命(ming)科(ke)學(xue)院(yuan)生(sheng)(sheng)物化學(xue)與(yu)細胞生(sheng)(sheng)物學(xue)研究(jiu)所，是科(ke)技部(bu)重大蛋白質研究(jiu)計劃(hua)首席科(ke)學(xue)家。2014年(nian)39歲的宋(song)(song)保亮受聘于武漢大學(xue)生(sheng)(sheng)命(ming)科(ke)學(xue)學(xue)院(yuan)成(cheng)為(wei)最年(nian)輕的院(yuan)長。其(qi)主(zhu)要(yao)研究(jiu)方向是從事與(yu)心腦血管(guan)疾病發生(sheng)(sheng)密切相關的膽(dan)固(gu)醇代謝平衡調控研究(jiu)。
研究(jiu)人(ren)員(yuan)在(zai)(zai)家族性(xing)預(yu)激(ji)綜(zong)合征（WPW）中鑒定了PRKAG2的(de)(de)(de)H530R突變。他們在(zai)(zai)此基礎上構建了攜帶(dai)H530R PRKAG2的(de)(de)(de)小鼠(shu)模(mo)型。研究(jiu)顯示(shi)，這些小鼠(shu)能夠反映包括(kuo)心肌肥厚和(he)糖原貯積在(zai)(zai)內的(de)(de)(de)人(ren)類(lei)癥狀(zhuang)，說明H530R與PRKAG2心臟綜(zong)合征的(de)(de)(de)確有因果關系。
研究人(ren)員(yuan)將CRISPR/Cas9與AAV9載(zai)體結合起(qi)來進行(xing)活(huo)體基因(yin)編(bian)輯(ji)。該系統能(neng)夠破(po)壞帶有H530R突變的(de)PRKAG2等位(wei)基因(yin)，同時不影(ying)響野生(sheng)(sheng)型等位(wei)基因(yin)。這項研究表明，在小(xiao)鼠出(chu)生(sheng)(sheng)第4天或42天一次性注射(she)AAV9-Cas9/sgRNA，可以顯(xian)(xian)著恢復小(xiao)鼠心臟的(de)形(xing)態和(he)功能(neng)。研究人(ren)員(yuan)指出(chu)，活(huo)體CRISPR/Cas9基因(yin)組編(bian)輯(ji)是一個有效(xiao)的(de)工具(ju)，能(neng)通(tong)過選擇性破(po)壞致病突變治(zhi)療PRKAG2心臟綜合征和(he)其他顯(xian)(xian)性遺傳的(de)心臟病。
細菌一直在(zai)與病毒或入(ru)侵核酸進行(xing)斗爭，為此它(ta)們演化出了(le)多種防御機制，CRISPR-Cas適應性免疫系統就(jiu)是其中(zhong)之一。規律(lv)成簇的(de)(de)間隔短(duan)回文重復CRISPR與內切(qie)酶Cas的(de)(de)組合，可以在(zai)引導RNA的(de)(de)指引下，靶標(biao)并(bing)切(qie)割入(ru)侵者的(de)(de)遺傳物質(zhi)。2012年研究(jiu)者們利用這一特點，將CRISPR系統發(fa)展成了(le)強大的(de)(de)基因組編輯工具。
諾(nuo)(nuo)如病(bing)(bing)毒（Norovirus）是(shi)造成(cheng)腹瀉的一(yi)(yi)種常(chang)見病(bing)(bing)毒，但科學家們對其致病(bing)(bing)機制一(yi)(yi)直知之(zhi)甚少，因為這(zhe)種病(bing)(bing)毒無法在實驗室中培養。現在，華盛頓大學的研究(jiu)人員(yuan)通過CRISPR-Cas9技(ji)術鑒定了諾(nuo)(nuo)如病(bing)(bing)毒入侵細胞所需的蛋白。這(zhe)一(yi)(yi)重要發(fa)現于八(ba)月十八(ba)日發(fa)表在Science雜志(zhi)上。
艾滋(zi)病(bing)在(zai)世界范圍內廣(guang)泛傳播(bo)，嚴重威脅著(zhu)人類健康和社會發(fa)(fa)展，一直受到人們的高(gao)度重視(shi)。HIV-1是(shi)引起(qi)艾滋(zi)病(bing)的主要病(bing)原體。Temple大學(xue)的研究人員(yuan)首次使用CRISPR-Cas9基因(yin)編輯技(ji)術(shu)，成功從活體動物基因(yin)組中切除了HIV-1 DNA。這一突破性研究發(fa)(fa)表(biao)在(zai)Gene Therapy雜志上，是(shi)通過基因(yin)編輯治療HIV的關鍵(jian)一步。
西尼羅河病毒(du)感(gan)染(ran)往往伴隨著大量的(de)(de)(de)(de)神經(jing)細胞死亡(wang)。然而，人(ren)們對這(zhe)種(zhong)病毒(du)誘導(dao)細胞死亡(wang)的(de)(de)(de)(de)機制還并(bing)不了(le)解(jie)。德州理工大學(xue)的(de)(de)(de)(de)Haoquan Wu和N. Manjunath領導(dao)研究團隊，開發了(le)一個基于(yu)CRISPR-Cas9的(de)(de)(de)(de)篩(shai)選方(fang)法，鑒定了(le)WNV誘導(dao)細胞死亡(wang)所必需的(de)(de)(de)(de)基因。這(zhe)項研究發表在Cell Reports雜(za)志上。
遺(yi)傳學專業的(de)就業前景非常廣(guang)闊。隨著科(ke)技的(de)發展(zhan)和人類(lei)對基因的(de)理解不斷(duan)深入，遺(yi)傳學在醫學、農業、環境科(ke)學等多(duo)個領域(yu)都(dou)有著廣(guang)泛的(de)應用。
首(shou)先，在醫(yi)學(xue)領域，遺傳(chuan)學(xue)專業的畢(bi)業生可以(yi)在醫(yi)院、研究(jiu)所等機構(gou)從(cong)事(shi)基(ji)因診(zhen)斷、基(ji)因治療、基(ji)因藥物研發(fa)等工作。他們(men)可以(yi)幫助醫(yi)生診(zhen)斷遺傳(chuan)性(xing)(xing)疾(ji)病(bing)(bing)，為患(huan)者提供(gong)個性(xing)(xing)化的治療方案。此(ci)外，他們(men)還可以(yi)通過基(ji)因編(bian)輯技術，如CRISPR-Cas9，治療一些遺傳(chuan)性(xing)(xing)疾(ji)病(bing)(bing)，如囊性(xing)(xing)纖維化、鐮狀細(xi)胞病(bing)(bing)等。
其(qi)次，在農業領域(yu)，遺傳學專業的(de)畢業生可以從事轉基因(yin)作(zuo)物(wu)的(de)研發和(he)(he)推廣工(gong)作(zuo)。他們可以通過基因(yin)工(gong)程技(ji)術，培(pei)育出(chu)抗病、抗蟲、抗旱等優良性狀(zhuang)的(de)轉基因(yin)作(zuo)物(wu)，提高農作(zuo)物(wu)的(de)產量和(he)(he)質(zhi)量，滿(man)足(zu)人口(kou)增(zeng)長帶來的(de)食品(pin)需(xu)求。
再次，在(zai)環(huan)(huan)境(jing)科學領域(yu)，遺傳學專業(ye)(ye)的(de)畢業(ye)(ye)生可(ke)以(yi)從事污染物(wu)(wu)的(de)生物(wu)(wu)降(jiang)解研究(jiu)。他們可(ke)以(yi)通過基因工程技術，改造微生物(wu)(wu)，使其能夠(gou)高效地降(jiang)解各種污染物(wu)(wu)，保護環(huan)(huan)境(jing)。
此外，遺傳學專業(ye)的(de)畢業(ye)生還可以在生物(wu)技(ji)術公(gong)司、制藥公(gong)司、研究機構等(deng)單位從事基(ji)因(yin)測序(xu)、基(ji)因(yin)芯(xin)片(pian)設計、基(ji)因(yin)數據分析等(deng)工作。
總(zong)的(de)(de)來(lai)說(shuo)，遺(yi)傳(chuan)學(xue)專業(ye)的(de)(de)就(jiu)業(ye)前景非(fei)常(chang)廣闊(kuo)，畢業(ye)生可以在(zai)多(duo)個領域(yu)找到(dao)自己的(de)(de)發(fa)展空(kong)間(jian)。然而(er)，遺(yi)傳(chuan)學(xue)是一門高度專業(ye)化的(de)(de)學(xue)科，需要學(xue)生具備扎實(shi)的(de)(de)生物學(xue)基礎和(he)良好(hao)的(de)(de)實(shi)驗技(ji)能。因此(ci)，對于有志于從事遺(yi)傳(chuan)學(xue)研究的(de)(de)學(xue)生來(lai)說(shuo)，他們在(zai)學(xue)習過程中需要付(fu)出(chu)大量的(de)(de)努力和(he)時間(jian)。
今天我們要講的是 生命科學發展的能工巧匠—基因編輯技術 ，該技術通過人為的對目的基因進行修飾，實現其編輯功能，從而達到改變目的細胞基因型的目的。
2020年的諾貝爾化學獎授予了詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)和艾曼紐·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)，以表彰他們對基因編輯技術CRISPR的研究成果。在CRISPER-Cas9技術開發之前，第一代鋅指核酸酶（ZFNs）技術以及第二代轉錄激活因子效應物核酸酶（TALENs）已被廣泛應用。三者的原理都是通過在基因組序列上誘導雙鏈斷裂(DSB)，并隨后通過內源性修復機制進行糾正，達到基因片段缺失、插入、突變等基因編輯的目的。
通過同源重組(HR)將內源性基因組序列與外源供體DNA分子進行交換是一個幾十年前就已為人所知的過程。已故的奧利弗·史密斯(Oliver Smithies)首次闡明了同源DNA分子如何重組并正確插入哺乳動物染色體的特定位置。為此，史密斯與馬里奧·卡佩基(Mario Capecchi)以及馬丁·埃文斯(Martin Evans)共同獲得了2007年的諾貝爾生理學或醫學獎。?
2009科學家首次使用ZFNs技術制造了世界上第一個基因敲除大鼠，1996年ZFNs技術被大力發展，該技術通過改造ZFN的結構域，可以人為設計識別特定DNA的ZFN并促使其與目的DNA序列進行結合，隨后，核酸內切酶FOKI可對DNA雙鏈進行切割形成DSB，最后完成DNA的自我修復。該技術在發展過程中有設計簡單，效率較高的特點，但是隨著科學的發展，人們發現其具有周期長、易脫靶?、細胞毒性大的缺點。
第二代基因編輯技術TALEN作為ZFNs的替代產品，在2021年進入快速開發期，2012年，科學雜志將TALEN技術列入了年度十大科學突破列表，TALE的全稱是Transcription Activator-Like Effector，即轉錄激活因子樣效應蛋白，來源于植物病原菌， TALEN技術的主要原理是通過兩個TALE靶向識別靶點兩側的序列；每個TALE融合一個FokI內切酶結構域；FokI通過TALE靶向形成二聚體切割靶點，誘導雙鏈斷裂，促使DNA進行自我修復過程并最終達到基因編輯的目的，TALEN具有技術設計靈活識別特異性強的優點。
ZFNs用30個氨基酸組成一個對應三堿基的DNA識別結構域，而TALE蛋白用34個氨基酸組成一個僅精準對應一個堿基的DNA識別結構域。此外，相比于ZFNs技術，TALE有一個決定性的優點，就是可模塊化，通過刪減、添加、自由組合不同的TALE蛋白，就可以輕易地定位DNA片段，將基因編輯周期縮短。但是，用脂質體轉染法還是電穿孔法轉染細胞構建細胞系，病毒所能運送的DNA序列也是有限的，而使用病毒侵染法遞送外援DNA進行基因治療，轉染效率也不可避免地與蛋白質大小成反比，所以太大的TALE無疑會導致DNA的切割效率降低。此外，該項技術也存在與ZFNs一樣的脫靶率高，細胞毒性大的缺點。
不過，科學家們很快開發出了新一代基因編輯技術，相比于前兩代技術更為高校、快捷。準確且價位低，那就是我們熟知的CRISPR/Cas9技術，主要組成部分是成簇的規律性間隔的短回文重復序列CRISPR以及核算內切酶Cas9組成， 2011年，CRISPR/Cas9系統的分子機制被揭示, 2014年，一位美國的生物化學家Jennifer首先闡明了CRISPR/Cas9系統的工作原理，證明它可以根據一段向導RNA（gRNA）的指引，找到對應的DNA序列，并將其切開。CRISPR/Cas9系統的工作原理是 crRNA通過堿基配對與 tracrRNA結合形成 tracrRNA/crRNA 復合物，此復合物引導核酸酶 Cas9 蛋白在與 crRNA 配對的序列靶位點剪切雙鏈 DNA。而通過人工設計 crRNA 和 tracrRNA 這兩種 RNA，改造成具有引導作用的sgRNA ，從而引導 Cas9 對 DNA 的定點切割。隨后不久，MIT的華人生物學家張鋒證明了這一系統同樣可以在哺乳動物細胞中使用。CRISPR/Cas9系統是細菌和古菌特有的一種天然防御系統，用于抵抗病毒或外源性質粒的侵害。當外源基因入侵時，該防御系統的 CRISPR 序列會表達與入侵基因組序列相識別的 RNA，然后 CRISPR 相關酶在序列識別處切割外源基因組DNA，從而達到防御目的。?
CRISPR/Cas9技術原理
1.sgRNA與Cas9蛋白結合，形成RNP復合物
2.RNP復合物在sgRNA的引導下，定位到基因組上的靶位點
3.Cas9蛋白對靶位點的DNA雙鏈進行切割，產生雙鏈斷裂（DSB）
4.DSB引起細胞的緊急修復機制：非同源末端連接（NHEJ）修復或者同源重組修復（HDR）
5.絕大多數情況下（>80%），細胞采用NHEJ修復路徑，使得靶位點位置隨機產生個別堿基的刪除或插入（Indel），得到基因敲除模型
6.極少數情況下（<20%），且細胞內存在同源片段時，細胞采用HDR修復路徑，使得靶位點產生精確修復
7.在同源片段中引入外源基因片段或者突變堿基，可得到基因定點插入模型或者基因定點突變模型
近幾年，CRISPR/Cas基因編輯技術飛速發展，涉及在生物、醫學、農業以及環境等多個領域的應用， 2017年CRISPR/Cas9基因編輯技術應用于CAR-T療法；楊璐菡等在Science發表文章，通過CRISPR/Cas9技術完成了對豬基因組中的內源逆轉錄病毒（PERV）序列的敲除。同年，雜交水稻之父”袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技術完成了對水稻中與鎘吸收和積累相關的基因的敲除。
目前為止，關于CRISPR/Cas9技術的新突破不斷涌現，相比于前兩代基因編輯技術，CRISPR/Cas9技術切割效率極高，便利性強，ZFNs與TALENs需要用成百上千個堿基的長度來完成定位系統的組裝，而CRISPR則只需要與目的基因一一對應的一段gRNA即可完成這個任務，且Cas9蛋白自己本身就具有核酸內切酶的活性，不需額外的核酸內切酶。為今后大范圍治療點突變遺傳疾病提供了極大的便利。此外，該技術還有設計簡單，能靶向幾乎任意細胞任意序列的優點。
海星生物通過不斷探索，開發的VIRUS-Free技術通過構建轉座系統質粒，將質粒轉染細胞，在轉座酶的作用下，高拷貝的Cas9蛋白與sgRNA表達元件被整合到基因組上，比傳統的病毒法節省了3-4周，價格節省了約40%。隨著基因編輯技術的發展，海星生物將緊隨科技發展的步伐，為您的科學研究保駕護航。?
參考文獻
Knott GJ, Doudna JA. CRISPR-Cas guides the future of genetic engineering. Science. 2018 Aug 31;361(6405):866-869. doi: 10.1126/science.aat5011.
Bak RO, Gomez-Ospina N, Porteus MH. Gene Editing on Center Stage. Trends Genet. 2018 Aug;34(8):600-611. doi: 10.1016/j.tig.2018.05.004.
Fernández A, Josa S, Montoliu L. A history of genome editing in mammals. Mamm Genome. 2017 Aug;28(7-8):237-246. doi: 10.1007/s00335-017-9699-2.
基因編程是一種利用計算機生成算法或程序的方法，它被廣泛應用于機器學習、人工智能、圖像處理等各個領域。通過基因編程，計算機可以自動地設計和優化程序，使得它們能夠更好地完成特定的任務。基因編程允許程序員和科學家們利用生物學和遺傳學的原理，將計算機程序看作一個生物體，通過不斷地進化和優化，創造出更加強大和高效的程序。
標題一：基因(yin)編(bian)程的原(yuan)理
基因編程的主要原理是模擬自然進化過程。計算機程序可以看作是一組代碼的集合，就像生物體中的基因一樣，控制著程序的運行和表現。基因編程將基因理論應用到計算機程序設計中，利用遺傳算法和突變等機制，不斷地進化和優化程序，以獲得更好的效果。這在復雜問題的解決和優化方面具有非常廣泛的應用。
標題二：基因編程的應用
基因編程在機器學習、人工智能、圖像處理等領域具有廣泛的應用。在機器學習中，基因編程可以用來自動生成高效的算法，優化模型的結構和參數，從而提高預測的準確性和泛化能力。在人工智能領域，基因編程可以通過自適應學習、自適應控制等方法，讓機器更好地適應環境和任務，從而實現自主學習和決策。在圖像處理領域，基因編程可以用來優化算法的性能和速度，實現高效的圖像識別和分類。
標題三：基因編程的優勢
與傳統的程序設計方法相比，基因編程具有以下優勢：
1. 自動化：基因編程可以自動化地生成、優化和適應算法和程序，極大地提高了工作效率和準確性。
2. 魯棒性：基因編程可以通過遺傳算法和突變等機制，讓程序更具有適應性和魯棒性，能夠應對不同的環境和數據集。
3. 多樣性：基因(yin)編程可以生成各(ge)種不同的算法和程序(xu)，具有更(geng)多的選擇和靈(ling)活性，有利于找到(dao)更(geng)優的解決(jue)方案。
總之(zhi)，基因(yin)編程(cheng)是一種(zhong)非常有前途的(de)技(ji)術，它可以為人工智能、機器學習、圖像(xiang)處理(li)等領(ling)域帶(dai)來更(geng)(geng)高效、更(geng)(geng)靈(ling)活、更(geng)(geng)創(chuang)新(xin)的(de)解決方(fang)案。未來，基因(yin)編程(cheng)將會成為計算機科學和人工智能領(ling)域的(de)重(zhong)要(yao)研究方(fang)向，為我們創(chuang)造出更(geng)(geng)多的(de)驚(jing)喜(xi)和機遇。
干細胞移植和基因編輯技術都是目前備受關注的新型治療手段，可以在一定程度上治療某些基因缺陷疾病，但并不能治愈所有基因相關疾病。
對于白化病、軟骨病等基因缺陷性疾病，干細胞移植可以用于治療。干細胞移植是指在一定程度上替換患者自身肝、肺、腎等重要組織器官中的缺失細胞，從而減輕或根除患者的癥狀。但干細胞移植也存在一些潛在風險，如輸液前的化療、骨髓抽取后惡性腫瘤的高概率等。
至于基因編輯技術，雖然可以更直接、準確地改變人類基因，從而潛在治愈一些人類疾病，但目前該技術仍處于起步階段，并有許多待解決的技術、道德和安全問題。同時，即使基因編輯技術的技術難題能夠解決，涉及人類基因的技術在倫理和法律方面面臨嚴峻的挑戰。
綜(zong)上所述(shu)，雖然(ran)干細胞移植和基因(yin)編(bian)輯技(ji)(ji)術是非常前(qian)沿(yan)的基因(yin)治(zhi)療(liao)手段(duan)，但對于(yu)某些基因(yin)相(xiang)關(guan)疾病的治(zhi)療(liao)，仍然(ran)存在科學技(ji)(ji)術難題(ti)和嚴重的倫(lun)理(li)和社會問(wen)題(ti)，需要(yao)在廣(guang)泛的討論和監管下緩慢推進。
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