CRISPR / Cas9:细菌的防御系统

没有人喜欢生病。我们咳嗽、打喷嚏、发烧,疼痛。所有这些迹象表明,人体的防御系统,称为免疫系统,试图保护我们免受很小,致病入侵者,包括病毒引起感冒等疾病或Covid-19。你知道病毒可以感染许多其他生物,包括微小的细菌?感染细菌的病毒噬菌体。尽管它是完全不同于人类的免疫系统,细菌也有防御系统,保护他们免受感染。这个系统叫做CRISPR / Cas9 [1]。当一个噬菌体感染细菌,病毒的遗传物质注射到细菌。细菌承认这个入侵者,借助CRISPR / Cas9,削减成碎片的遗传物质来阻止感染。后来,细菌噬菌体的遗传物质的一部分,如果同样的噬菌体感染,细菌可以对入侵者更迅速地作出反应。

CRISPR / Cas9是什么?

这个名字CRISPR代表定期聚集空间短回文的重复序列。这听起来像是一口,但读完全文,你会理解这个复杂的名字!

像所有的生物,细菌中含有一种叫做DNA的遗传物质。DNA是由四个不同的构建块,称为核苷酸:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)的这四个序列构建块是一个代码指令创建生物,类似于序列的字母组成单词。在一些地方的代码形式回文序列,可以读取相同的方式向前或向后。“kayak”这个词是一个回文。一个DNA回文可能看起来像TAGCGAT。这个词就像kayak TAGCGAT读取相同的向前和向后。现在,想象一下有几个副本TAGCGAT序列的DNA。你可以叫他们短回文的“重复”,因为他们是重复的。如果这些回文重复组中发现整个DNA编码,然后我们称之为“集群。“因为那些回文重复由其他DNA序列,他们被称为“中间。“把一切放在一起,你经常发现集群空间短回文重复,或CRISPR !最后,Cas-9包含在使用的名字,因为它是一个重要的蛋白质CRISPR系统,这将在下面描述。

CRISPR / Cas9帮助科学家们如何?

您可能想知道为什么科学家细菌的防御系统是非常重要的。科学家们想出了如何使用CRISPR / Cas9系统编辑,或改变的顺序,DNA。这个发现如何使用CRISPR / Cas9在实验室是科学社会极其重要的重要的是,在2020年,两位研究人员曾发现它(Emmanuelle贝纳和詹妮弗·a·Doudna)收到的最重要的科学奖励诺贝尔化学奖。

正如我们提到的,构成DNA核苷酸形成一个包含指令的代码,使整个有机体。万博manbetxapp最新的DNA片段代码为一个特定的特征,例如狗的皮毛的颜色,称为基因。假设我们知道哪些基因控制狗的皮毛的颜色。如果该基因的核苷酸的顺序变了,狗的皮毛颜色会改变。为什么?因为我们已经改变了指令让狗的皮毛颜色(图1)。

理解我们如何使用CRISPR / Cas9系统编辑基因,你必须首先理解该系统的部分和它们是如何工作的。首先,科学家们必须知道核苷酸的顺序,或基因的序列,他们感兴趣的编辑。幸运的是,这些信息有网站。一旦基因序列是已知的,第一块CRISPR / Cas9系统,我们必须使用是一种特殊的蛋白Cas9。Cas9就像剪刀切断DNA。Cas9可以减少DNA,但是我们只希望它将我们感兴趣的基因。让Cas9正确的位置需要一个组件指导RNA,这就像GPS坐标指挥Cas9序列我们要减少。我们设计指南RNA序列的基因,所以Cas9只会减少DNA的确切位置(图2一个)。附近的RNA是一种指南PAM网站,这是一个three-nucleotide序列,就像用虚线显示Cas9切断DNA。我们发现一个PAM网站最接近的DNA区域我们想减少(图2 b)。最后的组件被称为修复模板。修复一段DNA模板的新序列,我们想要的基因(图2 c)。使用修复模板,我们可以复制,粘贴,添加,或删除部分的DNA序列,就像编辑word文档中的句子!例如,假设我们想添加核苷酸ATGCTA基因。修复模板将包含ATGCTA两侧加上一些额外的DNA相匹配的原始基因,告诉去哪里修理模板。DNA修复之后,新的DNA核苷酸会粘贴到哪里我们希望他们是(图2 d),给我们我们的编辑基因。

什么样的东西可以使用CRISPR研究?

现在,科学家们更好地理解CRISPR / Cas9基因编辑工具,什么事情能做吗?图3显示了一些示例。研究使用CRISPR通常是做生物如细菌、酵母、蠕虫,植物,和老鼠,因为它们容易使用在实验室(2]。这些物种可以告诉科学家很多关于人类DNA和基因功能,因为一些人类基因是相同的,或者非常相似,在其他物种的基因。

一些人类疾病是由于错误的DNA,可以传递了一代又一代。科学家和医生正在使用CRISPR / Cas9治疗疾病的DNA通过定位和纠正这些错误。这种类型的治疗疾病基因治疗因为它是非常新,它尚未完全在人类身上测试。如果CRISPR / Cas9基因治疗对人类是安全的,它可能是一种很有前途的方法来帮助人们患有疾病的错误造成的DNA。

多酷可以看到长毛象或恐龙走动?科学家们相信他们可以使用CRISPR / Cas9带回灭绝动物!最近,科学家们已经成功地使用CRISPR / Cas9改变象细胞包含长毛象灭绝的DNA。这些变化可能有助于给长毛象大象的特征,就像毛茸茸的皮草,这将帮助他们生存在寒冷的天气。

公司也可以使用CRISPR / Cas9创建新产品。想象好吃美味的番茄会!研究人员正在探索如何改变番茄DNA,以便它可以生产辣椒素,这种物质能使辣椒辣。莎莎永远不会是相同的!其他科学家们使用CRISPR / Cas9帮助开发新的品种的植物像玉米。这些新品种能够生长即使在干旱和热浪等极端天气事件由气候变化引起的。

大国承载着巨大的责任

CRISPR申请/ Cas9令人振奋,但科学界希望国际规则以确保这种技术使用在一个安全的和道德的方式。道德是道德准则告诉科学家,他们的工作必须保护公众健康和安全。道德确保所有研究尊重人权,动物福利,和法律,所以,科学家不伤害人,动物,或环境。因为CRISPR / Cas9易于使用,不贵,很难控制谁使用它以及它的使用目的(3]。科学家们认为编辑DNA是道德如果是用来阻止人们生病或者治疗已经生病的人。但仍存在其他问题,如是否安全的带回长毛象。你认为科学家应该带回灭绝动物或修改食品?这些都是重要的问题!

你会改变你的兄弟姐妹的DNA风险在他或她出生之前,即使你知道一个小错误可能引发严重的后果?大多数科学界不支持承担这些风险。然而,有一些争议CRISPR / Cas9涉及人类胚胎的研究。科学家叫他Jiankui,改变了DNA的两个双胞胎在他们出生之前。这项工作是一个世界性的丑闻,因为他打破了道德规则通过编辑人类胚胎(4]。科学家们必须考虑,使用这种技术的有潜在危险的不负责任的方式。出于这个原因,世界卫生组织和其他组织正在密切关注人类基因组研究编辑,所以它是在负责任的方式完成的。

总结

CRISPR / Cas9系统让细菌远离病毒。现在,它也被科学家编辑在实验室中生物的DNA。能力改变DNA在实验室里可以让我们了解更多关于DNA是如何工作的,治疗疾病,开发新产品。CRISPR / Cas9技术有很多的好处,如果是负责任的方式使用。然而,我们必须遵循道德规则,以确保没有人在这个过程中受伤。有时,新技术发展如此之快,以至于发生的科学家和政策制定者都无法充分准备。作为科学家,我们必须始终考虑的风险是我们努力改善人类的生活。

术语表

噬菌体:↑一种病毒只感染细菌。

核苷酸:↑四大基石之一构成DNA。他们被称为腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)。

回文序列:↑特定的顺序读取相同的核苷酸,向前或向后。例如,TAGCGAT回文序列。

Cas9:↑一种蛋白质,这种蛋白质就像剪刀削减DNA。这种蛋白质是一个需要CRISPR / Ca9的一部分,这就是为什么它被包含在名字!

指导RNA:↑一个小RNA链导致Cas9位置需要切断DNA。

PAM网站:↑三核苷酸序列的顺序NGG(其中N是一个G, T或C)。这个序列就像Cas9削减DNA的虚线。

修复模板:↑的DNA序列的科学家设计修复DNA,它减少了添加、删除或更改的DNA。

基因治疗:↑治疗疾病的方法,是由DNA突变引起的。如果我们修复DNA,它可以解决这种疾病。

道德:↑一组规则,确保工作的科学家做不伤害动物或人类。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

[1]↑许,p D。着陆器,大肠。张,2014年成立。CRISPR-Cas9对基因工程的发展和应用。细胞157:1262 - 78。doi: 10.1016 / j.cell.2014.05.010

[2]↑张,S。郭,F。燕,W。戴,Z。盾,W。周,J。,等。2019。CRISPR / Cas9-based基因工程的最新进展和转录调节工业生物学。前面。Bioeng。Biotechnol。7:459。doi: 10.3389 / fbioe.2019.00459

[3]↑Brokowski C。,Adli m . 2019。CRISPR道德:道德考虑应用程序的一个强大的工具。JMB431:88 - 101。doi: 10.1016 / j.jmb.2018.05.044

[4]↑希拉诺斯基,d . 2019。人类基因编辑CRISPR-baby丑闻:接下来是什么。自然。566:440-42。doi: 10.1038 / d41586 - 019 - 00673 - 1