脂肪減少24％，基因編輯的瘦豬肉你要來一口嗎？

出品：科普中國

制作：基因組所多米諾基因科普協會管曉楠

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

我要買瘦肉（圖片來自網絡）

“老板，這塊豬肉太肥了，還有沒有瘦點的？”這樣的對話大概可以永遠消失在菜市場了。

23日，中國科學家宣布，他們通過新一代基因編輯工具CRISPR，向豬細胞內插入一種叫解偶聯蛋白1（UCP1）的基因，減少脂肪沉積，增加瘦肉率，培育出一批健康的瘦肉豬，比正常豬脂肪少24％。

俗話說民以食為天，科學家和創業者們一直對“吃”充滿熱情，那么此次的瘦肉豬是怎樣培育出來的呢？這就要依靠CRISPR/Cas9技術解決了。

CRISPR/Cas9技術

“基因編輯技術”，顧名思義，能夠讓人類對目標基因進行“編輯”，實現對特定DNA片段的敲除、加入等。CRISPR/Cas9則是繼“鋅指核酸內切酶（ZFN）”、“類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）”之后出現的第三代“基因組定點編輯技術”。

其成本低、制作簡便、快捷高效的優點，讓它迅速風靡于世界各地的實驗室，成為科研、醫療等領域的有效工具，更被認為能夠在活細胞中最有效、最便捷地“編輯”任何基因。

CRISPR/Cas9技術（圖片來自網絡）

CRISPR/Cas系統的工作原理

那么，這么厲害的技術，是如何操作的呢？

在細菌的基因組上，存在著串聯間隔排列的“重復序列”，這些重復序列相對保守，我們稱之為CRISPR序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的規律間隔的短回文重復序列）。

1.“記錄”入侵者檔案

其中的“間隔序列”來源于病毒或外源質粒的一小段DNA，是細菌對這些外來入侵者的“記錄”。

CRISPR序列示意圖，其中，菱形框表示高度可變的間隔序列，正方形表示相對保守的重復序列

病毒或外源質粒上，存在“原間隔序列”，“間隔序列”正是與它們互相對應。“原間隔序列”的選取并不是隨機的，這些原間隔序列的兩端向外延伸的幾個堿基往往都很保守，我們稱為PAM（Protospacer adjacent motifs-原間隔序列臨近基序）。

當病毒或外源質粒DNA首次入侵到細菌體內時，細菌會對外源DNA潛在的PAM序列進行掃描識別，將臨近PAM的序列作為候選的“原間隔序列”，將其整合到細菌基因組上CRISPR序列中的兩個“重復序列”之間。這就是“間隔序列”產生的過程。

2、打擊二次入侵者

當外源質粒或病毒再次入侵宿主菌時，會誘導CRISPR序列的表達。同時，在CRISPR序列附近還有一組保守的蛋白編碼基因，稱為Cas基因。

CRISPR序列的轉錄產物CRISPR RNA和Cas基因的表達產物等一起合作，通過對PAM序列的識別，以及“間隔序列”與外源DNA的堿基互補配對，來找到外源DNA上的靶序列，并對其切割，降解外源DNA。這也就實現了對病毒或外源質粒再次入侵的免疫應答。

CRISPR/Cas9技術工作示意圖

（tracrRNA/crRNA二元復合體指導Cas9蛋白尋找并切斷靶點雙鏈DNA，其中藍色部分為Cas9蛋白，圖片來源網絡）

正是基于細菌的這種后天免疫防御機制，CRISPR/Cas9技術應運而生，從而科學家們利用RNA引導Cas9核酸酶實現對多種細胞基因組的特定位點進行修飾。

CRISPR/Cas9技術的應用：基因敲除

以基因敲除為例，在待敲除基因的上下游各設計一條向導RNA(向導RNA1，向導RNA2)，將其與含有Cas9蛋白編碼基因的質粒一同轉入細胞中，向導RNA通過堿基互補配對可以靶向PAM附近的目標序列，Cas9蛋白會使該基因上下游的DNA雙鏈斷裂。

對于DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存在著DNA損傷修復的應答機制，會將斷裂上下游兩端的序列連接起來，從而實現了細胞中目標基因的敲除。

CRISPR/Cas9技術敲除掉部分基因原理圖（繪圖肖媛）

而DNA片斷的插入或定點突變的實現，只需在此基礎上為細胞提供一個修復的模板質粒，這樣細胞就會按照提供的模板在修復過程中引入片段插入或定點突變，對受精卵細胞進行基因編輯，并將其導入代孕母體中，可以實現基因編輯動物模型的構建。

CRISPR/Cas9技術插入新基因原理圖（繪圖肖媛）

當然，CRISPR/Cas9技術的成功率并非百分之百。向導RNA靶向序列的非特異性，以及DNA損傷修復的不確定性，都可能會導致基因組上其它位置產生未知的突變，也就是所謂的“脫靶”現象，這也是現階段影響CRISPR/Cas9技術應用的瓶頸之一。

但隨著科研人員不斷對Cas9蛋白的優化改造，對靶基因識別特異性的增強，CRISPR/Cas9技術的“打靶”效率將不斷提高。

CRISPR/Cas9技術的前景

CRISPR/Cas9技術在醫療健康、生產生活、家畜育種等領域的應用不斷取得喜人的新成果——

CRISPR/Cas9技術前景廣闊（圖片來自網絡）

醫療健康領域，使用CRISPR技術根除HIV病毒、誘導宮頸癌細胞自我毀滅、構建癌癥模型等最新成果先后被Nature等著名雜志所報道；

在奶制品的發酵中，利用CRISPR/Cas9增強發酵菌株對噬菌體的防御能力；

在家畜育種方面，也正在利用基因編輯工具通過對顯著影響家畜生產性能的基因位點進行改良，以實現豬、牛、羊等大型家畜生產性能的提高等。

但正如科學是把雙刃劍，任何新技術的出現都少不了其反對者的存在，在CRISPR/Cas9技術得到熱烈呼聲的同時，不少人也對它提出了質疑，特別是對其脫靶事件可能導致基因組其他位置產生未知突變表示擔憂。

不過，正如所有的黎明前都是令人心慌的黑暗，CRISPR/Cas9技術縱使有諸多不確定，卻還是在我們的努力下迎來了勝利的曙光。

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發表于 2017-10-27 00:00
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