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CRISPR/Cas9,这把神奇的剪刀将在2017年创造哪些奇迹?
  发布时间:2017/2/6  点击:417

基因工程即将迎来黄金时代。随着基因编辑技术的长足进步,科学家们将能以前所未有的精度,对各种生物体的DNA作出微调。

而就在几年前,对单个基因的修改还是一个原始、费力乃至徒劳的过程。

如今,科学家开发了名为CRISPR/Cas9(常间回文重复序列丛集/常间回文重复序列丛集关联蛋白系统,简称CRISPR)的新型基因编辑技术。

该技术不同于传统的基因修饰技术,它可以驾驭细菌的免疫系统、截断甚至破坏单个基因,然后在它们的相应位点上插入新的基因。

众多科研领域都因CRISPR而改变。尽管目前许多重要的CRISPR工作仍处于概念验证阶段,但科学家们认为,随着细节的进一步厘清,CRISPR有望成为一项异常强大的工具。

“很快,我们就能探究基因的不同组合形式,控制基因表达的时机、位置及程度,并探究DNA中单个碱基的作用,”英国厄勒姆研究所(Earlham Institute)分子和合成生物学家尼科拉•帕特龙(Nicola Patron)说,“DNA序列的功用一旦明了,生物学科下各个领域的问题都能得到解答。从治疗人类疾病,到解开物种灭绝之谜。”

请注意,帕特龙并没有提到编辑人类胚胎——即“设计”出具备各种优越性状的婴儿,如高智商或肌肉发达的身材。

事实上,大多数痴迷CRISPR的科学家都表示,这方面的应用难度非常高,且不如其他用途重要。另外,胚胎编辑还深涉伦理雷区,至少在可与将的将来,各国政府都不可能放行。

换言之,到目前为止,定制婴儿还是旁门左道。那么,从稍微现实一点的层面讲,CRISPR最振奋人心的前景有哪些?可以哪些方式改变世界?

 

1)揭开基因各司何职的秘密

尽管小鼠、玉米乃至人类的整个基因组都已完成测序,但对基因们各司何职,比如负责哪些性状或疾病等,我们仍不甚了解。厘清头绪是一项格外艰巨的任务。

而CRISPR技术有望改变这一点。在CRISPR的帮助下,我们可以破坏特定基因,观察结果,以此加深对不同基因的理解。“这是它最振奋人心的用途之一,”CRISPR先驱、加州大学伯克利分校的女科学家珍妮弗•杜德娜(Jennifer Doudna),“我们也许就能知道,基因组序列跟不同生物体的行为之间有何联系。”

 

2)编辑植物基因,改善食品安全

未来30年,地球上将多出20亿需要养活的人口。也就是说,粮食增产刻不容缓。一个办法是对作物进行基因编辑,增加其耐杂草、耐虫害、耐干旱的特性,加快其生长速度。

在明尼苏达大学,植物遗传学家丹•沃伊塔斯(Dan Voytas)的实验室正在使用CRISPR,对植物进行靶向性的基因组修饰。他说,眼下,他正在为非洲的小农户开发耐除草剂的木薯品种。

沃伊塔斯也很想知道,如何才能用CRISPR提高水稻的光合效率。水稻、土豆和木薯等作物是很多发展中国家的主食,但在炎热的环境中,它们的光合效率偏低,若能加强这项指标,便可以显著提高单产量。

 

3)寻找阿尔茨海默病的潜在疗法

马丁•坎普曼(Martin Kampmann)是加州大学旧金山分校神经退行性疾病研究所的细胞生物学家。

他参与开发了一个基于CRISPR的平台,用来探寻退行性疾病——比如找出阿尔茨海默病和帕金森病背后的基因调控过程。


4)开发新的癌症疗法

CRISPR也可以用于治疗某些癌症,早在若干年前,科学家就开始了这方面的摸索。最近,宾夕法尼亚大学获准开展一项小规模的临床试验:从18名患者体内提取免疫细胞,用CRISPR手段加以修饰,强化定位并杀死癌细胞的能力,最后将编辑过的细胞移植回患者体内,观察效果。

这还只是开始。举个例子,针对由DNA中的“差错”引发的肿瘤,我们就可以借助CRISPR技术,炮制出更加安全有效的抑制因子。


5)降低人类对石化产品的依赖

当今世界,塑料等材料的生产仍依赖化石燃料中的烃分子。但有了CRISPR,这一现状有望得到改观。

在加州大学河滨分校,一支团队的研究课题是:如何用CRISPR操控一类酵母,使之将糖转化为碳氢化合物。其最终目标是希望通过基因工程,让酵母生产某些聚合物、粘合剂和香料的基本原料,从此摆脱低效的石油基工艺。

这只是其中之一。还有的研究人员想以CRISPR技术编辑酵母,降低我们对各类石化产品的依赖。

 

6)用植物制造药物和疫苗

在生产药物和疫苗时,制药商开始将植物或植物细胞转化为活工厂,生产代谢产物和蛋白质。

植物是一个很好的生产系统,因为它们强健、成本低廉,不易被毒素或病原体污染。这也被称为“分子药物农场”。

借助CRISPR手段,我们可以探究植物的基因调节方式、对外来分子的响应机制,及其DNA的自我修复方式。

近来,帕特龙正致力于用CRISPR研发特种植物,用来生产制造难度较高的药物和疫苗。


7)摧毁HIV、疱疹及肝炎病毒

在HIV、疱疹、肝炎和人乳头状瘤病毒(HPV)的治疗方面,我们已经取得长足的进步,但病毒依然无法完全消除。

杜克大学医学中心的布莱恩•理查德•卡仑(Bryan Richard Cullen)说,现在研究人员可以采用CRISPR技术,锁定并摧毁这些顽固的DNA病毒,这是以前做不到的。(来源:VOX)

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