But what is CRISPR-Cas9? An animated introduction to Gene Editing. #some2

Summary

科学家们将CRISPR-Cas9技术誉为“遗传疾病终结的开始”。这项技术不仅获得了诺贝尔奖，还被用于编辑人类胚胎，甚至治愈了疾病。CRISPR-Cas9是一种基因编辑技术，通过设计特定的RNA引导Cas9蛋白精确切割DNA，从而修正基因突变，治疗疾病。虽然存在一定的风险，如非特异性编辑和对人类进化的潜在影响，但CRISPR-Cas9技术在治疗疾病、改良作物等方面展现出巨大潜力。科学家们正不断改进这一技术，如通过碱基编辑和引物编辑等方法，减少双链DNA断裂的风险，以更安全、高效地进行基因编辑。

Takeaways

• 🌟 CRISPR-Cas9 技术被认为是遗传疾病治疗的革命性突破，已经获得诺贝尔奖，并用于基因编辑人类胚胎以及治愈疾病。
• 🧬 DNA 中的基因包含制造蛋白质的指令，基因突变可能导致蛋白质功能失常，从而引发疾病，如癌症和镰状细胞病。
• ✂️ 基因编辑的概念是理论上通过编辑 DNA 来修正突变，从而对抗疾病。
• 🔬 基因编辑的实践比理论更为复杂，直到 1994 年才开发出可靠的基因组编辑方法。
• 📌 最初的基因编辑技术是锌指核酸酶，由 DNA 结合域和 DNA 切割域组成，后者包含 Fok1 酶。
• 🌱 TALENs 是类似于锌指核酸酶的基因编辑技术，但更容易工程化，因为 TALENs 每个模块识别一个碱基对。
• 🏆 CRISPR-Cas9 是一种高效的基因编辑技术，最初并非为基因编辑而发现，而是由细菌的免疫机制启发而来。
• 🛡️ CRISPR 系统是细菌的一种免疫系统，能够记录并防御感染它们的病毒。
• 🧬 CRISPR-Cas9 通过将 crRNA 和 tracrRNA 结合成单一的导向 RNA，引导 Cas9 蛋白切割特定的 DNA 序列。
• 🔄 除了切割 DNA，CRISPR-Cas9 还可以通过“死”Cas9 结合激活或抑制蛋白来增加或减少特定基因的活性。
• 🚫 CRISPR-Cas9 的特异性并不完美，存在非目标编辑的风险，且基因编辑可能对人类造成不可预测的长期影响。
• 🔬 科学家正在不断改进 CRISPR-Cas9 技术，包括基础编辑和无需双链断裂的引物编辑技术。

Q & A

基因编辑技术是如何帮助治疗遗传性疾病的？

基因编辑技术通过修复DNA上的突变来帮助治疗遗传性疾病。如果某个基因发生突变，可能会导致蛋白质功能失常，从而引发疾病，如癌症和镰状细胞病。基因编辑技术可以精确地定位并修复这些突变的基因，从而防止或治疗由此引起的疾病。

CRISPR-Cas9系统是如何从细菌的免疫机制转变为基因编辑工具的？

CRISPR-Cas9系统原本是细菌用来防御病毒的一种免疫机制。科学家们发现，细菌可以利用这个系统来识别并切割病毒的DNA。通过将CRISPR RNA (crRNA) 和转录激活CRISPR RNA (tracrRNA) 结合成一个单独的“导向”RNA，科学家们能够引导Cas9蛋白精确地识别并切割任意指定的DNA序列，从而实现基因编辑。

什么是PAM序列，它在CRISPR-Cas9系统中扮演什么角色？

PAM序列，即原间隔相邻基序（protospacer adjacent motif），是Cas9蛋白在识别DNA序列时需要匹配的特定序列模式。在CRISPR-Cas9系统中，除了导向RNA序列需要匹配目标DNA外，还必须在紧邻该序列的位置存在一个NGG的PAM序列，Cas9蛋白才会进行DNA切割。

基因编辑技术存在哪些潜在的风险和挑战？

基因编辑技术存在的潜在风险包括非特异性编辑，即可能导致非目标基因的意外改变。此外，基因编辑可能对人类物种产生长远的不利影响，例如，如果精子或卵子细胞的DNA被编辑，这些改变可能会遗传给后代，造成不可逆转的后果。

除了治疗疾病，CRISPR-Cas9技术还有哪些潜在的应用？

CRISPR-Cas9技术除了用于治疗遗传性疾病外，还可以用于农业，通过编辑作物基因来提高作物的抗病性、耐药性或营养价值。此外，它还可以用于研究基因功能、开发新药以及在生物技术领域的多种应用。

什么是基因编辑技术的“死”Cas9版本，它有什么用途？

“死”Cas9版本指的是失去了切割DNA能力的Cas9蛋白。科学家们可以将这个版本的Cas9蛋白与激活蛋白或抑制蛋白融合，以此来增强或抑制特定基因的表达。此外，还可以将荧光蛋白如绿色荧光蛋白（GFP）与“死”Cas9融合，以便于在实验中观察Cas9蛋白与DNA的结合位置。

CRISPR-Cas9技术与早期的基因编辑技术ZFNs和TALENs相比有何优势？

CRISPR-Cas9技术相比ZFNs和TALENs更加高效和特异，因为它不需要对整个蛋白复合体进行工程化设计，只需提供一个小的导向RNA给Cas9。这使得CRISPR-Cas9技术在基因编辑上更为简便和灵活。

什么是基础编辑和主要编辑，它们与CRISPR-Cas9有何不同？

基础编辑是一种无需切割DNA即可化学改变氮基的方法来修复突变的技术。主要编辑是一种可以进行插入、删除和碱基替换的技术，所有这些操作都无需造成双链DNA断裂。与CRISPR-Cas9相比，这些技术提供了更为精确和多样化的基因组修改手段。

科学家是如何发现细菌中的CRISPR阵列的？

科学家在研究细菌的DNA序列时注意到，大约40%的细菌中存在规律间隔的重复序列，这些序列可以正读和反读都一样，被称为回文序列。在这些重复序列之间的似乎是随机的DNA序列被称为“间隔”。科学家将这个区域命名为CRISPR阵列。

CRISPR-Cas9技术在实际应用中有哪些挑战需要克服？

CRISPR-Cas9技术在实际应用中需要克服的挑战包括提高其特异性以减少非目标效应、确保安全性以避免长期的遗传副作用、以及解决伦理和法律问题，特别是在人类胚胎编辑方面。

为什么CRISPR-Cas9技术能够获得诺贝尔奖？

CRISPR-Cas9技术能够获得诺贝尔奖是因为它为基因编辑领域带来了革命性的变革，提供了一种前所未有的精确和高效的方法来修改基因组，这在医学、农业和生物研究中有巨大的应用潜力。

基因编辑技术的发展历史中，有哪些关键的里程碑事件？

基因编辑技术的发展历史中的关键里程碑包括：20世纪60年代和70年代的早期基因编辑尝试；1994年锌指核酸酶（ZFNs）的开发；TALENs技术的出现；以及最重要的，CRISPR-Cas9技术的发现和完善，它极大地简化了基因编辑过程，并提高了其精确度和效率。