基因“剪刀” CRISPR/Cas技術

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分類：新聞中心
作者：蓋德視界
來源：公眾號
發布時間：2023-02-27
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病毒自發現起，就一直與人類斗爭。其實，病毒不僅寄生生物體，也入侵細菌：病毒能把基因整合至細菌，并利用其細胞工具為自身的基因復制服務。相對地，細菌演化出的CRISPR/Cas系統能發現并切除病毒基因，也是其特有的免疫系統。

CRISPR/Cas系統的基本工作原理是，CRISPR序列經轉錄形成crRNA的前體；隨后，該前體經加工形成具有靶向識別功能的crRNA；Cas作為一種核酸內切酶，與成熟的crRNA形成RNA-蛋白質結合體；而后，crRNA與特定的DNA序列特異性結合，Cas切斷靶向的DNA鏈，使基因產生缺口，實現“打靶”；最后，通過同源重組或非同源末端鏈接等方式進行基因修復，實現基因編輯。

CRISPR/Cas系統結構

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CRISPR/Cas系統由識別組件CRISPR和切割組件Cas（CRISPR- associated proteins）組成。CRISPR序列由眾多短而保守的重復序列區和間隔區組成。其中，間隔區即是被細菌俘獲的外源DNA序列，屬于“黑名單”片段；前導區是CRISPR序列的啟動子。而前端的Cas基因是一段具有多態性的家族基因。在此結構的基礎上，CRISPR序列與Cas基因共同進化，形成了高度保守的CRISPR/Cas系統。因此，第三代基因編輯工具CRISPR/Cas技術誕生。

圖1 CRISPR基因位點結構

圖片來源：標圖網

2013年，美國麻省理工學院張鋒和哈佛大學George Church研究組首次在細胞中利用CRISPR/Cas9系統，實現了基因定點突變技術。如今的研究已發展至與CRISPR-Cas9功能類似，但結構更簡單的CRISPR-Cpf1（Cas12a）及用于RNA活細胞標記的CRISPR-Cas13a。

圖2 CRISPR/Cas9、Cas12a、Cas13a的對比總結

圖片來源：[2]

合成生物學領域

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Cas9蛋白作為CRISPR系統中最常用的切割原件，在基因的編輯、改造方向應用廣泛。而合成生物學以人工設計與編寫基因組為核心，旨在利用加工后的細胞元器件，滿足特定需求。因此，設計和構建元件庫的重要性不言而喻，而這也恰好與CRISPR/Cas系統的基因編輯功能不謀而合。

大腸桿菌是微生物合成生物學研究中重要的模式生物。2013年，Jiang等首先在大腸桿菌中使用CRISPR/Cas9系統，即利用Cas9切斷目的基因，再引入λ-Red蛋白修復，將突變序列引入宿主，證實了該系統在大腸桿菌中可進行有效的基因編輯，且突變率達到65%。如今，CRISPR/Cas9技術在大腸桿菌合成生物學中的應用廣泛且較為成熟。

CRISPR/Cas12a系統在研究中常用于藍細菌的基因編輯。2019年，Niu等利用不同抗性標記多個基因組，同時使用蔗糖敏感性質粒，使其在完成編輯后主動丟失，實現了染色體大片段DNA缺失，單基因修飾達成功率100%。

在DNA的譜系追蹤領域，CRISPR/Cas9可對轉基因DNA靶標進行體內編輯。分子記憶裝置，基于Cas內切酶、DNA靶點序列和一組sgRNA，累計靶點可變性，在細胞內產生多樣化的“進化版”DNA條形碼，并促進細胞譜系樹的系統發育重建。

相關企業

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基因編輯技術面世至今，已經成功實現了商業化。相關產品可通過使用CRISPR技術作為工具，獲得一系列基因修飾的細胞和生物疾病模型?，F今，CRISPR市場增長的主要因素是具有減少脫靶效應的CRISPR-Cas9。參與該領域的企業大多為大型生物技術公司，例如Thermo Fisher、IDT和Horizon Discovery。

Synthego作為一家新興的創業公司，主要是提供基因工程的解決方案。該公司專攻RNA領域，選擇合成CRISPR RNA，其核心產品合成RNA系列CRISPRevolution被用于基因治療和基于CRISPR的基因編輯研發。

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