素材：基因編輯技術(shù)及其應(yīng)用 高一下學(xué)期生物人教版必修2

基因編輯技術(shù)及其應(yīng)用高中生物學(xué)必修二第五章第一節(jié)介紹了基因突變。在自然界中，基因受到外界干擾產(chǎn)生變化，比如受到紫外線照射、核輻射等，改變了原來的某些代碼片段，導(dǎo)致生物在發(fā)育生長過程中某些特征發(fā)生了改變，與原來的品種不同，就是基因突變。自然的基因突變具有不確定性的，獲得的新特征可能是有利的，也可能是有害的。近年，科學(xué)家運(yùn)用基因編輯技術(shù)對特定基因進(jìn)行定向改造，使基因發(fā)生定向改變，取得了顯著成效。那么，什么是基因編輯技術(shù)？有哪些應(yīng)用？基因編輯是一種改變細(xì)菌、植物和動(dòng)物等“生物體基因組的特定目標(biāo)基因”，從而改變相應(yīng)生物特征或治療相關(guān)疾病的技術(shù)。目前，基因編輯技術(shù)主要包括鋅指核酸酶、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶和成簇規(guī)律性間隔短回文重復(fù)序列等項(xiàng)技術(shù)。由于zFN和TALEN的脫靶效應(yīng)和組裝的復(fù)雜性，故這兩項(xiàng)基因編輯技術(shù)的應(yīng)用受到了限制：而cRISPR的脫靶效應(yīng)較少，并且它是基于RNA的一種編輯技術(shù)，更易于合成和并人靶細(xì)胞中，故目前已經(jīng)成為了最常用的基因編輯技術(shù)。根據(jù)效應(yīng)蛋白(cAs凋亡蛋白酶)的不同，可將cRIsPR系統(tǒng)分為3種類型，其中I型和Ⅲ型依靠多個(gè)效應(yīng)蛋白共同發(fā)揮作用；Ⅱ型則僅需單一效應(yīng)蛋白，如cas9、casl2a、casl2b和casl3a蛋白等，其中cas9與CRISPR組成的CRISPR／Cas9Ⅱ型編輯系統(tǒng)使用最多。近年來．以cRIsPR／cas9系統(tǒng)為代表的新型基因編輯技術(shù)發(fā)展迅速，并開始廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，90％的古細(xì)菌和40％的細(xì)菌中都存在cRIsPR。cRISPR由日本科學(xué)家于1987年在大腸桿菌染色體上發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)科學(xué)家對其蘊(yùn)含的生物學(xué)意義并不了解。法國研究人員于2005年發(fā)現(xiàn)，cRISPR能夠通過入侵的噬菌體DNA獲得一段新的DNA序列，且與細(xì)菌的天然免疫防御有關(guān)。2012年，美國研究人員發(fā)現(xiàn)，CRISPR／Cas9是一種由RNA引導(dǎo)的能夠靶向切割再次入侵的外來基因組的核酸內(nèi)切酶．用來引導(dǎo)的RNA被稱為向?qū)NA(小NA)／crRNA。2013年，CRISPR／Cas9技術(shù)被正式應(yīng)用于DNA的編輯修飾。與其他技術(shù)相比，該技術(shù)的構(gòu)建成本大大降低，操作更加便捷，編輯效率也更高。工具的多樣化科學(xué)家持續(xù)研發(fā)出各種不同類型的剪切酶，cRIsPR基因編輯技術(shù)的工具箱不斷得到優(yōu)化和擴(kuò)充，包括CRISPR／Casl2a、CRISPR／Casl2b、CRISPR／CasX、CRISPR／CasY、CRISPR／Casl3a、CRISPR／Casl3b、CⅢSPR／Cas3、CRISPR／dcas9、CRISPR／CasRx、cRIsPR／cpfl以及cRIsPR／casl4等，并且多項(xiàng)研究已證實(shí)了cRIsPR／casl2a等基因編輯系統(tǒng)的潛力。這些新技術(shù)的不斷開發(fā)不僅有助于解決基因編輯技術(shù)的缺陷，同時(shí)也使基因編輯的應(yīng)用范圍獲得極大拓展。例如．2020年，加拿大多倫多大學(xué)開發(fā)出能同時(shí)對多個(gè)基因組位點(diǎn)進(jìn)行編輯的基因編輯工具cHyMErA，可應(yīng)用到任何哺乳動(dòng)物細(xì)胞中。基因編輯技術(shù)的新功能不斷被挖掘，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。基因編輯技術(shù)甚至已經(jīng)應(yīng)用于人類胚胎和人體基因的編輯。目前，基因編輯技術(shù)主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。生物醫(yī)學(xué)方面理論上講，科學(xué)家可以利用基因編輯技術(shù)編輯任何基因突變，從而達(dá)到治愈疾病的效果。但在實(shí)踐中，人們才剛開始發(fā)展將基因編輯作為療法來應(yīng)用，這方面的工作仍存在許多未知數(shù)。以下是科學(xué)家正在嘗試?yán)胏RIsPR／cas9技術(shù)治療的疾病，它們最終都有可能成為第一種使用這種革命性技術(shù)治療的疾病。目前首批也是最先進(jìn)的CRISPR臨床試驗(yàn)之一是中國杭州市腫瘤醫(yī)院正在開展的將基因編輯工具用于治療食道癌晚期患者潛力的測試?？茖W(xué)家首先從患者體內(nèi)提取免疫T細(xì)胞，利用cRISPR對這些細(xì)胞進(jìn)行修飾，敲除T細(xì)胞中編碼PD一1蛋白的基因．然后將修飾后的T細(xì)胞重新注入患者體內(nèi)以攻擊癌細(xì)胞。腫瘤細(xì)胞可與免疫T細(xì)胞表面的PD一1蛋白結(jié)合，使其不攻擊癌細(xì)胞，經(jīng)過基因修飾使其不表達(dá)PD一1蛋白后可以繼續(xù)抗擊癌細(xì)胞，從而達(dá)到治療癌癥的目的。到目前為止，中國至少有86名患有不同種類癌癥的患者接受了cRIsPR治療。美國另有一項(xiàng)CRISPR試驗(yàn)也針對癌癥，該試驗(yàn)于2019年4月開始，截至目前，接受治療的3名患者是安全的。地中海貧血癥(TDT)和鐮狀細(xì)胞貧血癥(scD)都會(huì)影響血液中氧氣的運(yùn)輸。歐洲和美國開展了一項(xiàng)旨在治療這兩種血液病的cRIsPR試驗(yàn)．于2019年2月招募了第一名試驗(yàn)患者。cRISPR／Cas9基因編輯療法CTx001是由CRISPRTherapeutics公司和vertex制藥公司聯(lián)合開發(fā)的。它包括從患者身上獲取骨髓干細(xì)胞，并使用cRIsPR使其產(chǎn)生胎兒血紅蛋白。胎兒血紅蛋白是一種天然的載氧蛋白，比成人體內(nèi)的血紅蛋白具有更好的氧結(jié)合能力。在試驗(yàn)開始前．美國食品藥品管理局將其擱置以排除安全問題，幾個(gè)月后．解除擱置并為這兩種血液病的治療制定了快速通道。1／2期臨床試驗(yàn)的中期數(shù)據(jù)顯示，一名輸血依賴性地中海貧血癥患者和一名嚴(yán)重鐮狀細(xì)胞貧血癥患者在接受cTx001治療后，均達(dá)到停止依賴輸血的效果。血友病是可以利用cRIsPR技術(shù)治療的另一種血液病。cRIsPRTherapeutics正與casebia合作開發(fā)一種可將基因編輯工具直接傳遞到肝臟的體內(nèi)cRIsPR療法。cRIsPR是治療遺傳性失明的理想候選療法。很多遺傳性失明是由特定突變引起的，利用cRIsPR／cas9可靶向和修飾單個(gè)突變基因。此外，眼睛是人體免疫功能低下的部位，這意味著免疫功能在此受限。EditasMedicine正在研究一種針對先天性黑朦的cRIsPR療法。先天性黑朦是兒童遺傳性失明的最常見原因，目前尚無治療方法。該公司旨在針對該疾病最常見的突變位點(diǎn)，使用cRIsPR在孩子完全失明之前恢復(fù)其光敏細(xì)胞的功能。研究證實(shí)，EditasMedicine公司開發(fā)的EDIT一101基因療法可成功恢復(fù)Leber氏先天性黑蒙癥10型患者的視力，目前該療法處于臨床試驗(yàn)階段。CRISPR技術(shù)可以通過多種方式幫助人類抗擊艾滋?。阂环N是利用cRIsPR將HIv病毒的DNA從其隱藏在免疫細(xì)胞DNA中的地方切下來。該方法可用于攻擊隱藏的非活動(dòng)形式的病毒，大多數(shù)療法無法完全清除這種形式的病毒。另一種方法是促使人體抗擊HIV病毒感染。某些人由于白細(xì)胞趨化因子受體(ccR5)基因的突變而天生具有HIv抗性，該基因編碼免疫細(xì)胞表面的一種作為HIv感染細(xì)胞切人點(diǎn)的蛋白質(zhì)。基因突變改變了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而使HIV病毒不再能與其結(jié)合。2018年，中國學(xué)者賀建奎使用cRIsPR技術(shù)編輯人類胚胎使其對HIV感染具有抵抗力，這項(xiàng)研究在科學(xué)界引起了廣泛關(guān)注和爭議。一些研究指出，“cRIsPR嬰兒”可能更容易死亡?？茖W(xué)家普遍認(rèn)為，要在人類中使用這種方法，還需要開展更多的前期研究。囊性纖維化是一種遺傳性疾病，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的呼吸道問題。盡管有治療該疾病的方法，但患者的預(yù)期壽命僅為40歲左右。cRIsPR技術(shù)可以通過編輯位于cFTR(cvsticfibrosistmnsmembraneconductanceregulator)基因中的導(dǎo)致囊性纖維化的突變，來解決問題的根源。研究人員已證明，可以在患有囊性纖維化患者的肺細(xì)胞中使用cRISPR并修復(fù)引發(fā)該疾病的最常見突變。EditasMedicine和cRIsPRTher叩eutics都計(jì)劃在人體中對該方法進(jìn)行測試。2020年，荷蘭烏得勒支研究所和烏得勒支大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員還證實(shí)，基于cRIsPR的堿基編輯器可以安全地治愈源自患者的干細(xì)胞中的囊性纖維化.然而，囊性纖維化可能是由cF豫基因的幾種不同突變引起的，這意味著針對不同的遺傳缺陷必須進(jìn)行不同的cRIsPR治療。Editas表示，該公司將研究最常見的突變以及一些尚無相關(guān)療法的罕見突變。杜氏肌營養(yǎng)不良是由D徹基因突變引起的。該基因編碼肌肉收縮所必需的一種蛋白質(zhì)?；加性摷膊〉膬和尸F(xiàn)進(jìn)行性肌萎縮癥狀，目前除了姑息治療外沒有其他可用的治療方法。利用小鼠做的研究表明，cRIsPR技術(shù)可用于修復(fù)引發(fā)該疾病的多個(gè)基因突變。2018年，美國一組研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的方法。不是單獨(dú)修復(fù)每個(gè)突變，而是使用CRISPR切割了12個(gè)重要的“突變位點(diǎn)”[15|，涵蓋了引起該疾病的約3000種不同突變中的大多數(shù)。美國成立了一家名為ExonicsTherapeutics的公司以進(jìn)一步開發(fā)這種方法。2018年10月，美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心、ExonicsTherapeutics公司等研究人員在4只攜帶著DMD患者最常見的突變的狗中，利用CRISPR基因編輯技術(shù)阻止了杜氏肌營養(yǎng)不良的進(jìn)展。EditasMedicine也在研究治療杜氏肌營養(yǎng)不良的CRISPR療法，開發(fā)一種更廣泛的方法，即不修復(fù)突變，而是利用cRISPR去除突變蛋白的整個(gè)部分，使蛋白變短但仍然起作用。亨廷頓氏病是一種神經(jīng)退行性遺傳疾病。該疾病是由亨廷頓基因內(nèi)某些DNA序列的異常重復(fù)引起的。DNA序列的拷貝數(shù)越高，疾病越早顯示出來。cRIsPR在大腦中的任何脫靶效應(yīng)都可能帶來非常危險(xiǎn)的后果．因此利用CRISPR治療亨廷頓氏病可能比較困難。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家正在研究調(diào)整基因編輯工具以使其更安全。美國研究人員開發(fā)出了KamiCas9．這是CRISPR／Cas9的一個(gè)版本．包含cas9的“自毀按鈕”。波蘭研究人員選擇將cRIsPR／cas9與一種稱為切口酶的酶配對．以使基因編輯更加精確。盡管CRIsPR在以往的基因編輯技術(shù)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，但并不完美。例如，基因編輯工具有時(shí)會(huì)切人錯(cuò)誤的位點(diǎn)，科學(xué)家還無法確定這些錯(cuò)誤將如何影響患者。因此，評估基因療法的安全性和改進(jìn)基因編輯技術(shù)是確保該技術(shù)可用于治療患者的關(guān)鍵步驟。在農(nóng)業(yè)、食品科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面，cRIsPR／cas9也具有巨大的應(yīng)用潛力。過去，基因編輯僅應(yīng)用于玉米、大豆等大型農(nóng)作物商品品種，這是由于獲得轉(zhuǎn)基因作物批準(zhǔn)所必需的技術(shù)和法規(guī)障礙。cRIsPR／cas9技術(shù)由于操作簡單、成本低，科學(xué)家已將其應(yīng)用于不同的物種，例如六倍體面包小麥、小型豬和蘑菇。重要的原因是，一些工程物種不在目前監(jiān)管程序的范圍之內(nèi)。例如，科學(xué)家工程改造的雙孢蘑菇，由于不包含外源基因，因此不受美國農(nóng)業(yè)部的監(jiān)管。CRISPR／Cas9技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中也有潛在應(yīng)用，尤其是利用基因編輯技術(shù)開發(fā)的基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過該過程，已編輯的基因可以在人群中傳播，從而消滅疾病。一些研究建議將基因驅(qū)動(dòng)與cRIsPR結(jié)合，用于消除攜帶疾病的蚊子或壁虱。然而，與人類生殖細(xì)胞基因編輯一樣，該方法已被擱置以評估不可逆性或意外風(fēng)險(xiǎn)影響，并制定適當(dāng)?shù)姆ㄒ?guī)。

例.基因編輯技術(shù)能夠讓人類對目標(biāo)基因進(jìn)行“編輯”,實(shí)現(xiàn)對特定DN片段的敲除、加等。將經(jīng)基因編輯后的體細(xì)胞輸回忠者體內(nèi),成功“治愈”了白化病女孩Layla,以下敘述正確的是()A.白化病與艾滋病的預(yù)防都需要進(jìn)行遺傳咨詢B.對特定DNA片段的敲除與加入屬于基因突變C.Layla體內(nèi)的編輯基因會(huì)通過卵子遺傳給她的孩子D.Layla與正常男性婚配所生男孩全部患病,女孩一半患病參考答案:B解析：遺傳咨詢可以為遺傳病患者或遺傳性異常性狀表現(xiàn)者及其家屬做出診斷,佔(zhàn)計(jì)疾病或異性狀再度發(fā)生的可能性笭:根據(jù)題意,基因編輯技術(shù)能夠讓人類