基因编辑技术的概念和原理

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1、基因编辑技术的概念和原理什么是基因编辑技术？基因编辑是指对基因组进行定点修饰的一项新技术。利用该技术，可以精确地定位到基因组的某一位点上，在这位点上剪断靶标DNA片段并插入新的基因片段。此过程既模拟了基因的自然突变，又修改并编辑了原有的基因组，真正达成了“编辑基因”。基因编辑的研究背景传统的动物育种方法受到种源的限制，其程需要耗费大量的人力、物力和财力，经历漫长的培育过程。而且不同种间的杂交很困难，育种成果很难取得突破性进展。基因编辑的研究背景现代动物分子育种中，分子标记技术能够定位与经济性状相关的分子

2、标记，锁定基因与性状的对应关系，从而快捷可靠地对动物后代进行筛选。但是，利用分子标记技术辅助筛选，改良的程度依然受限于品种自身已有的基因。所以，利用基因工程技术进行品种改良，可以突破种源的限制及种间杂交的瓶颈，获取新品种，因此分子育种更为本质和直接。基因编辑的研究背景目前，获得突变体的常见方法是利用T-DNA或转座子构建大规模的随机插入突变体库，但是构建覆盖全基因组的饱和突变体库需要的工作量大且耗费的时间长。而通过定点突变的方法使目的基因完全失活，是一种最直接有效的研究特定基因功能的方法。基因编辑的研究

3、背景近年来，随着高特异性及更具操作性的人工核酸酶的出现和技术体系的完善，基因组编辑技术获得了飞速发展，并将靶向基因操作推向高潮，使得定点基因敲除、敲入变得更为简单且高效。基因编辑的优势与传统的以同源重组和胚胎干细胞(embryonicstemcell，ES)技术为基础的基因打靶技术相比，基因编辑新技术保留了可定点修饰的特点，可应用到更多的物种上，效率更高，构建时间更短，成本更低。基因编辑原理现代基因组编辑技术的基本原理是相同的，即借助特异性DNA双链断裂(DNAdouble-strandbreaksDS

4、Bs)激活细胞天然的修复机制，包括非同源末端连接(NHEJ)和同源重组修复(HDR)两条途径。基因编辑原理非同源末端连接（NHEJ）是一种低保真度的修复过程，断裂的DNA修复重连的过程中会发生碱基随机的插入或丢失，造成移码突变使基因失活,实现目的基因敲除。如果一个外源性供体基因序列存在，NHEJ机制会将其连入双链断裂DSB位点，从而实现定点的基因敲入。基因编辑原理同源重组修复（HR）是一种相对高保真度的修复过程，在一个带有同源臂的重组供体存在的情况下，供体中的外源目的基因会通过同源重组过程完整的整合到靶

5、位点，不会出现随机的碱基插入或丢失。如果在一个基因两侧同时产生DSB，在一个同源供体存在的情况下，可以进行原基因的替换。基因编辑原理基因编辑技术的种类目前主要有3种基因编辑技术，分别为：人工核酸酶介导的锌指核酸酶(zinc-fingernucleases，ZFN)技术；转录激活因子样效应物核酸酶(transcriptionactivator-likeeffectornucleases，TALEN)技术；RNA引导的CRISPR-Cas核酸酶技术(CRISPR-CasRGNs)。1.ZFN基因组编辑技术Z

6、FN技术是第一代基因组编辑技术，其功能的实现是基于具有独特的DNA序列识别的锌指蛋白发展起来的。1986年Diakun等首先在真核生物转录因子家族的DNA结合区域发现了Cys2-His2锌指模块，到1996年，Kim等首次人工连接了锌指蛋白与核酸内切酶。2005年，Urnov等发现一对由4个锌指连接而成的ZFN可识别24bp的特异性序列，由此揭开了ZFN在基因组编辑中的应用。ZFN由锌指蛋白(ZFP)和FokⅠ核酸内切酶组成。其中，由ZFP构成的DNA识别域能识别特异位点并与之结合，而由FokⅠ构成的切

7、割域能执行剪切功能，两者结合可使靶位点的双链DNA断裂(DSB)。于是，细胞可以通过同源重组(HR)修复机制和非同源末端连接(NHEJ)修复机制来修复DNA。HR修复有可能会对靶标位点进行恢复修饰或者插入修饰，而NHEJ修复极易发生插入突变或缺失突变。两者都可造成移码突变，因此达到基因敲除的目的。ZFN诱导的基因组编辑技术可应用于很多物种及基因位点，具有较好的发展潜力。但是目前有3个方面的缺陷制约了该技术的推广:(1)以现有的策略设计高亲和性的ZFN，需要投入大量的工作和时间;(2)在细胞中持续表达ZF

8、N对细胞有毒性;(3)虽然三联体设计具有一定特异性，但仍然存在不同程度的脱靶效应。2.TALEN基因组编辑技术2009年，研究者在植物病原体黄单胞菌(Xanthomonas)中发现一种转录激活子样效应因子，它的蛋白核酸结合域的氨基酸序列与其靶位点的核酸序列有较恒定的对应关系。随后，TALE特异识别DNA序列的特性被用来取代ZFN技术中的锌指蛋白。它可设计性更强，不受上下游序列影响，具备比ZFN更广阔的应用潜力。TALENs包含两个TALEN