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探讨用CRISPR/Cas9实现大型动物基因组编辑

 在CRISPR/Cas9系统中,特别设计的导向RNA(gRNA)以一种序列特异性方式将核酸酶Cas9引导到基因DNA处,Cas9在精确的位点切割DNA双链。随后通过非同源末端连接(NHEJ)或是同源重组(HR)基因组DNA得到修复,由此可导入破坏开放阅读框的突变,引起基因失活。

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由于CRISPR/Cas9使得可以在几乎所有的位点切割基因组,现在这一系统已成为了在各种各样的物种包括人类胚胎和非人类灵长类动物中遗传改造基因组的一个强大的工具。


开发CRISPR/Cas9用于基因组编辑为我们提供了一种精巧的新方法,无需建立胚胎干细胞来进行基因组操控就可生成大型动物遗传疾病模型。为了探究CRISPR/Cas9是否可以在非人类灵长类动物的单细胞阶段进行基因组DNA编辑,几个研究小组将CRISPR/Cas9应用于猴的受精卵,发现一些新生猴成功携带了靶基因突变。


然而,这些研究也揭示出CRISPR/Cas9在非人类灵长类动物胚胎中生成了一些嵌合突变,近期研究人员将CRISPR/Cas9注入到人类三原核受精卵中,他们在衍生出的人类无法存活的胚胎中也看到了这种现象。出于对在人类胚胎中使用CRISPR/Cas9安全性的担心,以及人类生殖细胞改造相关的一些严重伦理问题,探讨如何在非人类灵长类动物胚胎中利用CRISPR/Cas9,来忠实地模拟人类疾病具有重要的意义。


在这篇文章中,李晓江研究员指出CRISPR/Cas9值得关注的第一个问题就是它的脱靶效应。而第二个问题就是嵌合突变。但CRISPR/Cas9具有一个重要的优势,就是可以造成双等位基因突变由此在首建动物(founder animal)中生成无效突变(null mutation)。这一优势对于构建出大型动物疾病模型尤为重要,因为繁殖大型动物需要较长的事件,使得研究人员无法很快通过交配杂合子突变动物来生成纯合子突变。


并且,由于CRISPR/Cas9可以破坏雌性动物的双等位基因,雌性动物应该会因完全丧失靶基因功能而显示出病状。为了确保双等位基因遭到破坏,CRISPR/Cas9可以靶向目的基因的多个位点。就此而言,CRISPR/Cas9为构建出由于一些特定基因丧失功能而引发的人类疾病的非人类灵长类动物或大型动物模型提供了一个强大的工具。


此外,CRISPR/Cas9也一直被用于在各种物种中生成敲入突变:然而由于敲入基因要求供体DNA进行精确的同源重组,敲入率比随机插入/缺失突变率要低得多。而近来这一技术的快速发展已大大提高了CRISPR/Cas9的敲入效率。


例如,采用NHEJ抑制剂可以大大提高在哺乳动物细胞中的敲入率。近期,还有研究报道通过直接核传递Cas9蛋白质复合物,以及化学合成双RNA构建出了携带功能盒的基因敲入小鼠,效率高达50%。这一新开发的CRISPR/Cas9系统为其应用于非人类灵长类动物和大型动物中,构建出人类疾病的基因敲入模型或是改造特异的基因提供了广阔的前景。


在文章的最后,李晓江指出考虑到啮齿类动物和灵长类动物在解剖学、生理学和基因组学上都有相当大的差异,现在需要利用非人类灵长类动物来作为补充模型调查疾病发病机制。利用CRISPR/Cas9来进行基因组编辑使得构建出非人类灵长类动物或大型动物模型,更真实地模拟人类疾病成为可能;虽然目前将其应用于非人类灵长类动物还存在一些技术限制,但这些将有可能很快得到解决,由此将可以构建出更多的非人类灵长类动物和大型动物来证实来自小型动物模型的一些重要发现,或揭示出不存在于小型动物中的一些独特的病理学和表型。


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