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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    故事的最后,韓春雨沒能攜NgAgo干掉“基因魔剪”CRISPR/Cas9

                    2017-08-23 10:08:00

                      2016年,韓春雨聲名鵲起。

                      5月2日,《自然》雜志在線發表了他的基因編輯技術NgAgo。這一技術的效率之高,足以媲美已有“基因魔剪”美譽的CRISPR/Cas9,另外,NgAgo有望以一個目標序列進行基因編輯,而Cas9不僅需要目標序列,還需要另外一個附近的識別(PAM)序列。

                      這是一個技驚四座的亮相。

                      而之后,事件的走向堪稱一波未平一波又起,直到8月3日,韓春雨撤稿,《自然-生物技術》也發表了題為“是該數據說話的時候了”的社論。故事似乎塵埃落定。

                      在這個并不happy的ending里,

                      曾被冠以“諾獎級成果”的NgAgo技術,仍然沒有撼動CRISPR/Cas9的江湖地位。

                      CRISPR是何方神圣?

                      它是clustered regularly interspaced short palindromic repeats (成簇規律間隔短回文重復)的首字母縮寫。

                      其實,CRISPR已有數億年的歷史了。它起初是細菌抵御病毒的一種機制。病毒這種不速之客懶得構造自己的復制系統,喜歡把它們的遺傳基因片段插入到細菌的細胞內。當細菌受到病毒的感染時就會進行反擊,用一段DNA片段包圍住入侵的病毒DNA片段,然后將這段病毒DNA片段從自己的基因序列上切出去。

                      雖然細菌進化出這種聰明的反擊機制的歷史如此悠久,但直到最近才被人類知曉。

                      2012年,杜德娜和卡爾龐捷優化了CRISPR系統,使它更標準、更方便,而且證明了不僅僅是細菌,任何來源的DNA都可以進行CRISPR操作。這是一項真正的顛覆性技術。

                      數月之后,張鋒證明CRISPR技術可以應用于人類DNA的操作。這些工作使遺傳學一夜之內被改寫?,F在,至少在理論上,科學家可以利用這個新工具對任何基因組進行前所未有的操作:刪除、添加,甚至插入幾組全新的DNA片段。

                      現在,CRISPR已經制造出了第一種無法變褐的蘑菇,第一批由DNA增強型細胞產生的有漫畫里一樣強壯肌肉的狗,還有一系列正待走向市場的優質農作物。有人甚至利用CRISPR技術培育了可以抵抗瘧疾和寨卡病毒的蚊子。

                     

                      未來,CRISPR還能做什么?

                      美國賓夕法尼亞州立大學卡爾·朱恩博士正在做一項雄心勃勃的研究項目:用頗具爭議的CRISPR基因編輯工具治療18位晚期癌癥患者。

                      朱恩說:“早期的基因修補嘗試就像在黑暗中飛翔。有了CRISPR之后,我決定在人身體上嘗試一下?!敝於鞯膶嶒炇荂RISPR技術在人體上的首次嘗試,同時也是迄今為止對人體基因組進行的最大規模的基因操作。朱恩的18位實驗患者將成為世界上第一批接受CRISPR編輯處理細胞的患者。在治療中,他將對患者的細胞進行基因編輯,使它們具備抵御癌癥的能力。像許多癌癥患者一樣,這些患者嘗試了各種治療方法,已經沒有治愈的希望。在杜德娜、卡爾龐捷和張鋒工作的基礎上,朱恩的小組將提取患者的免疫T細胞,然后用CRISPR技術改變這些細胞的3個基因,把細胞們轉化成抗擊癌癥的超級戰士。然后,他們把這些基因編輯過的抗癌T細胞重新融合到體內,看這些細胞是否能夠找到并摧毀腫瘤。

                      人們對此寄予了厚望。無論是否成功,這一嘗試都將為如何正確改寫人類基因編碼提供重要信息。朱恩的研究可能會證實,CRISPR不僅對癌癥,還可以對諸如鐮刀型細胞貧血癥、囊性纖維化等基因缺陷型疾病,以及II型糖尿病、阿爾茲海默病等慢性疾病提供革命性新療法。

                      但人們對此也持有巨大爭議,部分原因在于這一技術非常簡單??茖W家既然可以高效編輯癌細胞的基因,就可以改變發色基因、肥胖基因、數學能力基因等。倫理學家擔心,如果這一技術被別有用心的人利用,后果將不堪設想。沒人反對將CRISPR用于治療晚期癌癥病患,但慢性患者呢?治療殘疾呢?CRISPR可以用來治療肥胖癥嗎?畢竟肥胖癥也引發了大量危及生命的疾病。誰來決定CRISPR的使用界限?

                      這些都是后話了。既是后話,不如先按下不表,翻個篇,看看“前情提要”吧。

                      有技術的地方就有江湖。在基因編輯這個江湖上,有誰曾獨領風騷,誰又曇花一現?而誰,會是終極霸主呢?

                      搬好小板凳,盤點現在開始

                      基因編輯的原理類似于常見的外科手術,主要由兩個關鍵部分構成。第一是手術刀。這是一類被稱作酶的蛋白質,是手術完成的關鍵。第二是識別裝置,有蛋白質、DNA或RNA等。它們就像外科醫生,指揮著手術刀,以保證糾正錯誤基因的同時不傷害正?;颍ň拖裢饪剖中g切盲腸的時候不能將大腸甚至腎臟等切除一樣)。

                      基因打靶

                      手術刀:重組酶

                      識別裝置:和待手術基因序列基本一致的DNA

                      基因打靶是20世紀80年代出現的一種技術,發明該技術的三位科學家因此獲得2007年諾貝爾生理學或醫學獎。在小鼠身上的實驗已經取得成功:對胰島素基因損傷的糖尿病小鼠進行基因打靶可治療其糖尿病。但該技術應用于臨床存在巨大難題,主要原因在于,大部分細胞內的重組酶活性都很低——手術刀不鋒利難以保證手術的成功。

                      限制性內切酶法

                      手術刀:限制性內切酶

                      識別裝置:限制性內切酶

                      限制性內切酶是一類特殊的手術刀。它具有識別功能,可以專一識別一段基因序列,同時將DNA切開。限制性內切酶主要存在于細菌中。經典的限制性內切酶識別序列過短(4~6個堿基),不能有效區分2萬多種不同的基因,容易出現“手術誤傷”。

                      大范圍核酸酶法

                      手術刀:大范圍核酸酶

                      識別裝置:大范圍核酸酶

                      大范圍核酸酶能夠識別多于14個堿基的序列,理論上可區別所有基因。但這類酶的數量太少,絕大多數基因都找不到相應的酶,缺了手術刀就無法進行手術。

                      鋅指核酸酶技術(ZFN)

                      手術刀:DNA內切酶FokI

                      識別裝置:鋅指蛋白

                      鋅指蛋白是一類專一識別3個堿基的蛋白質,不同鋅指蛋白識別的堿基也不同,因此可根據需要進行組合,從而達到區分不同基因的目的。鋅指蛋白沒有切開DNA的能力,工作時需要手術刀——DNA內切酶FokI(一種核酸酶)的配合。

                      鋅指核酸酶技術(ZFN)將手術刀和識別裝置分離,并利用外源的手術刀增加基因的切開效率,是一個很大進步。但是,該技術需要根據基因序列進行鋅指蛋白組合,組合后的識別效率不高,容易引起手術“誤傷”。

                      轉錄激活樣效應蛋白核酸酶技術(TALEN)

                      手術刀:DNA內切酶FokI

                      識別裝置:轉錄激活樣效應蛋白

                      轉錄激活樣效應蛋白也可專一識別堿基,且一種效應蛋白識別一種堿基。這為組合帶來更大便利。如果識別18個堿基,只要根據一一對應關系組合18個效應蛋白即可,組合后的識別效率遠遠高于鋅指蛋白,且設計過程大大簡化。其效率較高,操作相對簡潔,因此得到廣泛應用,被評為2010年十大科學突破之一。但該技術涉及煩瑣的蛋白質組合,大多數普通工作人員無法有效掌握,從而為普及帶來不便。

                      導向RNA輔助的DNA手術(CRISPR-CAS9)

                      手術刀:細菌核酸內切酶CAS9

                      識別裝置:導向RNA

                      這是2012年初出現的新方法。將識別裝置(導向RNA)和手術刀(細菌核酸內切酶CAS9)同時轉移入細胞內,識別裝置與待手術的目標基因實現專一配對,并啟動手術刀,從而將兩條DNA鏈同時切開。

                      該技術利用堿基配對原理實現識別效應,大大簡化了設計程序和實驗操作,有利于推廣和應用。較高的基因切開效率使其成為2013年十大科學突破之一。此外,轉入多個特異性導向RNA還可同時實現多基因手術,從而為科學研究和實際應用帶來更大便利。

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