基因组编辑与未来

介绍
自从发现 DNA 以来，已经发展了多种技术来对生物体进行基因操纵，以实现更好的农业和工业应用。下一代测序技术使得不同基因和 DNA 突变的识别变得更加容易。现在使用很长一段时间的转基因生物和克隆技术是该领域进步的直接结果。过去几十年来，这些克隆技术已广泛应用于医疗、农业、工业和研究领域。然而，尽管取得了所有的发展和进步，但仍然需要更先进、更精确的基因编辑技术。过去十年中，用于基因修饰的可编程核酸酶的使用有所增加，因为它具有治疗各种遗传性疾病和癌症的潜力。在过去十年中，出现了三大类可编程核酸酶——锌指核酸酶 (ZFN)、转录激活子样效应核酸酶 (TALEN) 和成簇规则间隔短回文重复序列 (CRISPR) 相关 Cas9 (CRISPR/Cas9) 。

锌指核酸酶 (ZFN)
ZFN 是最早开发的基因组编辑工具，具有更高的精确度，能够改变遗传内容。 ZFN 由两个结构域组成，即重复的锌指蛋白 (ZFP)，其 DNA 结合结构域与 FokI 限制性内切核酸酶的非特异性 DNA 切割结构域融合。 ZFN 作为二聚体发挥作用，其中每个单体单元能够通过锌指 DNA 结合结构域识别 DNA 的 18 至 XNUMX 个碱基对 (bps)。有多种锌指结构域可以识别不同的 DNA 三联体。它们可以连接在一起生成多指锌指蛋白，该蛋白可以靶向多种可能的 DNA 序列。然而，脱靶编辑/突变是与基于 ZFN 的基因编辑相关的主要问题。因此，提高这一过程的效率还有很大的空间。

转录激活剂样效应核酸酶 (TALEN)
TALEN 已成为基因组编辑 ZFN 的替代品。与 ZFN 类似，TALEN 包含两个与 FokI 核酸内切酶结构域融合的可编程 DNA 结合结构域，并通过引入双链断裂 (DSB) 发挥作用。转录激活剂样效应子 (TALE) 由黄单胞菌属自然分泌。与宿主生物体 DNA 结合的细菌。 TALE DNA 结合结构域是具有 33-35 个氨基酸的多个重复序列，其中每个重复序列识别单个核苷酸。 TALE DNA 结合结构域的特异性是由于每个结构域中 12 和 13 个氨基酸位置处存在超可变区。因此，可以通过修饰超可变区中的这些氨基酸残基并将不同的TALE重复序列连接在一起来产生序列特异性TALEN。

成簇规则间隔短回文重复序列 (CRISPR) 相关 Cas9 (CRISPR/Cas9)
除了ZFN和TALEN之外，CRISPR/Cas9是另一种快速新兴的基因编辑工具。它是一种天然存在的细菌系统，是细菌适应性免疫的组成部分。它通过 Cas 蛋白的 RNA 引导 DNA 切割来保护细菌免受病毒和质粒的入侵。 CRISPR/Cas9系统由三个主要组成部分——CRISPR RNA (crRNA)、反式激活crRNA (tracrRNA)和Cas9酶。 crRNA 从入侵系统转录而来，被称为原型间隔序列，并与 tracrRNA 杂交，tracrRNA 触发 Cas9 核酸酶与 DNA 切割位点的结合并充当碱基。与使用不同识别蛋白识别给定基因组序列中的特定序列的 ZFN 和 TALEN 系统不同，CRISPR/Cas 系统使用与目标基因组序列互补的 RNA 序列。 RNA 杂交在位点特异性切割中的优势引发了使用嵌合“引导”RNA (gRNA) 进行基因组编辑，它是通过将 crRNA 和 tracrRNA 融合在一起而创建的。 gRNA 包含 20 个核苷酸引导序列，设计用于结合特定 DNA 序列。因此，gRNA 和 Cas9 能够扫描适当的位点并与其结合，以产生位点特异性双链断裂 (DSB)。因此，与之前的技术相比，CRISPR/Cas9系统提供了相对更准确的基因编辑技术，并且可以用于广泛的应用。

结论
到目前为止，很明显，当前的基因编辑机制更加精确，并且具有广泛的应用范围，而且不会产生更大的伦理和生理影响。因此，更大的财务优势和该领域的持续改进是必然的。此外，合理的研究和开发、正确的靶标识别和知识产权保护对于开发下一代疗法、生物产品和工艺也非常重要。