基因编辑技术的原理及其在癌症研究中的应用

基因编辑技术,是指对DNA核苷酸序列进行删除和插入等操作,换句话说,基因编辑技术使得人们可以依靠自己的意愿改写DNA这本由脱氧核苷酸写而成的生命之书。然而长期以来,对DNA的编辑只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式来对DNA进行编辑。然而这些方法要么编辑位置随机,要么需要花费大量人力物力进行操作。因此,能够方便而精确的对DNA和核苷酸序列进行编辑,是科研工作者们长期以来的梦想。CRISPR-Cas9系统的诞生和成熟标志这这一梦想逐渐变为现实。此外不仅仅在科研界,在诸如医疗、农业、畜牧业等研究中,这一技术也显现除了巨大的应用前景。本期邀复旦大学王永明教授、谢一方博士介绍基因编辑技术的分类、CRISPR/Cas9技术的应用,着重介绍其在癌症领域的应用和发展状况,使读者对该技术有一个总体的把握。

专家简介—王永明

复旦大学生命科学学院研究员,博士生导师,斯坦福大学博士后,国家青年千人入选者,主要从事基因编辑技术研发和心肌再生研究。-年在德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心(MDC)做博士生研究,并获柏林自由大学博士学位;-年在斯坦福大学医学院从事博士后研究。年率先将基因编辑技术引入心血管领域,实现对心肌细胞的分子影像学分析,年通过基因编辑技术率先制作出了长QT综合征的干细胞模型。回国后,利用附着体载体表达Cas9和gRNA,开发出了高效的附着体CRISPR技术。近5年以第一或通信作者身份在NucleicAcidsResearch,JournaloftheAmericanCollegeofCardiology,ScientificReports和PloSGenetics等杂志上发表多篇论文。

基因编辑技术能够对基因组序列进行准确、稳定的遗传改造,给生命科学和临床治疗带来革命性的变革。CRISPR/Cas9技术是基因编辑领域一个突破性进展,它操作简单、编辑效率高,极大地扩展了科学家对基因的操控能力。本文中,笔者将介绍基因编辑技术的分类、CRISPR/Cas9技术的应用(基因敲除、基因敲入、CRISPR/Cas9导入细胞的方法、提高CRISPR/Cas9特异性和调控CRISPR/Cas9系统)、CRISPR/cas9系统的其他应用(碱基转换、表观遗传调控、内源基因的转录调控及全基因组范围内的遗传筛选)及CRISPR/Cas9系统在癌症研究中的应用(建立癌症的小鼠模型、建立染色体重排的癌症模型、高通量筛查与肿瘤细胞转移相关的基因、癌症治疗),着重介绍其在癌症领域的应用和发展状况,使读者对该技术有一个总体的把握。

基因编辑;CRISPR/Cas9;癌症

利用细胞系或者模式生物研究基因功能时,经常需要在基因上引入突变。真核生物基因组含有数十亿个碱基对,在基因编辑技术出现之前,定点改变某个位置的碱基序列无疑是一个巨大的挑战。美国遗传学家Capecchi等[1]通过基因打靶技术首次实现了对基因组的定点修饰,他们将精心设计的外源基因载体导入到小鼠胚胎干细胞中,通过同源重组定点整合到基因组中。这种方法只适用于小鼠的胚胎干细胞,在其他类型的细胞中重组频率非常低[2]。Rouet等[3]发现在要修饰的DNA位点产生一个DNA双链断裂(double-strandbreak,DSB)可以提高同源重组效率。至此,科学家开始研究在基因组定点产生DNA双链断裂的方法,最终发明了基因编辑(genome-editing)技术。基因编辑技术是一种通过程序化的人工核酸酶对基因组DNA序列进行改造的遗传操作技术,它给生命科学研究领域带来了革命性的变化。人工核酸内切酶能够识别并切断靶DNA序列,产生DSB,细胞主要通过两种修复途径修复DSB,分别是非同源末端连接(non-homologousendjoining,NHEJ)和同源重组(homologousre







































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