早期基因编辑技术包括归巢内切酶(homing endonuclease, HEs)、锌指核酸内切酶(zinc finger endonuclease, ZFN)和类转录激活因子效应物(transcription activator-like effector nucleases, TALENs)。这些技术存在脱靶效应或组装复杂性的问题,限制了它们在基因编辑领域中的应用。
CRISPR/Cas系统的发现CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)系统最早发现于1987年,研究人员发现细菌中存在一段与病毒中短DNA序列相匹配的DNA重复序列,在这些序列附近还存在CRISPR相关特征基因(Cas)。CRISPR系统利用由CRISPR序列转录的RNA分子来引导Cas蛋白在相应位点进行切割,从而破坏病毒DNA或RNA。随着研究的深入,CRISPR/Cas系统被开发成一种强大的基因编辑工具。
CRISPR/Cas系统的发展1.CRISPR-Cas9:是目前最常用的基因编辑系统,由Cas9核酸酶以及2个RNA分子组成,成熟的crRNA(CRISPR RNA)通过碱基互补配对与反式激活RNA(tracrRNA)形成特殊的双链RNA结构,引导Cas9蛋白在靶标DNA上进行双链切割。
Cas蛋白随着研究的深入,更多的Cas蛋白(如Cas12、Cas13、Cas14等)被发现,它们在识别某种序列之后,会同时激活其切割能力,切割体系中的DNA或RNA。基于这些Cas蛋白不同的功能和特点,CRISPR也逐渐被开发成为更多的研究工具,在更多领域中得到应用。
基因编辑技术已经从第一代锌指核酸酶(ZFNs)、第二代转录激活样效应因子核酸酶(TALENs)发展到目前的第三代CRISPR-Cas技术。CRISPR-Cas技术具有效率高、操作快捷、效果准确等优点,是目前基因编辑的主流技术。新技术的诞生与发展,不仅使其作为更精准、更高效的基因研究工具被开发,也因其在基因筛选、模型构建、机制研究中发挥了不可替代的独特作用,为疾病治疗提供了新思路、新范式。
基因编辑技术的发展前景广阔,未来可能会在人类健康和治疗中发挥更大的作用。例如,通过基因编辑技术可以治疗许多遗传疾病,为解剖复杂的生物过程提供前所未有的机会。同时,随着技术的不断创新,基因编辑技术的应用范围可能会进一步扩大,包括在农业、环境保护等领域的应用。