什么是基因編輯技術(shù)？（下）

四、轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶技術(shù)（TALEN）

轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)（Transcription Activator-Like Effector, TALE）核酸酶（Nucleases, TALENs）是一種基因編輯工具，其工作原理與鋅指核酸酶（ZFNs）類似，但是它們使用不同的DNA結(jié)合蛋白。TALEN是一種人工制造的蛋白質(zhì)，由兩部分組成：一個(gè)DNA結(jié)合域（TALE）和一個(gè)FokI核酸酶。

1、TALE DNA結(jié)合域

TALE蛋白是由植物病原體Xanthomonas細(xì)菌產(chǎn)生的，它們可以識(shí)別并結(jié)合到植物基因中的特定序列，進(jìn)而改變植物的基因表達(dá)。TALE蛋白的DNA結(jié)合域由多個(gè)重復(fù)的氨基酸序列組成，每個(gè)重復(fù)序列由34（或35）個(gè)氨基酸組成，可以識(shí)別并結(jié)合一個(gè)DNA堿基。這種結(jié)構(gòu)使得TALE蛋白可以高度特異地識(shí)別并結(jié)合到特定的DNA序列。TALE基序串聯(lián)成決定靶向性的DNA識(shí)別模塊通過與FokⅠ結(jié)構(gòu)域連接，就形成了TALEN結(jié)構(gòu)。

TALENs的DNA識(shí)別模塊由一系列的轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)物（TALE）基序組成，每個(gè)基序可以識(shí)別并結(jié)合一個(gè)DNA堿基。這種一對(duì)一的識(shí)別模式使得TALENs能夠非常精確地定位到基因組中的特定位置。此外，TALENs使用的FokI核酸酶與ZFNs中的相同，這也保證了TALENs有與ZFNs相當(dāng)?shù)那懈钚省?/span>

當(dāng)然，TALENs也存在一些局限性。首先，由于TALENs的尺寸要大于ZFNs，因此它們?cè)谀承?yīng)用中可能會(huì)受到限制，例如，較大的尺寸可能會(huì)影響到TALENs在細(xì)胞中的傳遞效率。其次，TALENs的DNA識(shí)別模塊包含大量的重復(fù)序列，這可能會(huì)增加在大腸桿菌中組裝TALENs編碼基因的難度。然而，這些問題可以通過各種策略來解決，例如使用特殊的組裝方法或改進(jìn)的傳遞系統(tǒng)。

五、成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列-相關(guān)核酸酶技術(shù)（CRISPR-Cas）

CRISPR-Cas（成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列-相關(guān)核酸酶）系統(tǒng)是一種在細(xì)菌和古菌中發(fā)現(xiàn)的自然免疫機(jī)制，用于防御病毒和外源質(zhì)粒。目前這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于基因編輯。

CRISPR-Cas系統(tǒng)主要由兩個(gè)組成部分構(gòu)成：CRISPR序列和Cas蛋白。

CRISPR序列：CRISPR是一段DNA序列，由短的重復(fù)序列（repeat）和間隔序列（spacer）組成。重復(fù)序列高度保守，而間隔序列則來源于過去入侵的病毒或質(zhì)粒，因此是特異的。

Cas蛋白：Cas蛋白是一種核酸酶，能夠切割DNA或RNA。Cas蛋白的種類很多，其中最著名的是Cas9蛋白，被廣泛用于基因編輯。

CRISPR-Cas系統(tǒng)的工作過程可以分為三個(gè)階段：

適應(yīng)階段：當(dāng)病毒或質(zhì)粒入侵時(shí)，細(xì)菌或古菌會(huì)從入侵者的基因中切割出一段DNA，然后插入到自己的CRISPR序列中，形成新的間隔序列。

表達(dá)階段：當(dāng)同樣的病毒或質(zhì)粒再次入侵時(shí)，細(xì)菌或古菌會(huì)將CRISPR序列轉(zhuǎn)錄成RNA（稱為crRNA）。這些crRNA含有來自間隔序列的部分，因此可以識(shí)別入侵者的基因序列。

干擾階段：crRNA會(huì)引導(dǎo)Cas蛋白找到并切割入侵者的基因，從而防止入侵者的復(fù)制。

CRISPR-Cas系統(tǒng)的原理：

在CRISPR-Cas9系統(tǒng)中，科學(xué)家們通常將crRNA和另一種名為tracrRNA的RNA被設(shè)計(jì)成一個(gè)單一的導(dǎo)向RNA（sgRNA）。sgRNA可以引導(dǎo)Cas9蛋白精確地切割目標(biāo)基因。

設(shè)計(jì)sgRNA：首先，需要設(shè)計(jì)一個(gè)sgRNA，它的目標(biāo)序列與你想要編輯的基因序列相配對(duì)。sgRNA通常由一個(gè)20個(gè)核苷酸的目標(biāo)序列和一個(gè)與Cas蛋白結(jié)合的骨架序列組成。

sgRNA和Cas蛋白的結(jié)合：然后，sgRNA會(huì)結(jié)合到Cas蛋白上，形成一個(gè)sgRNA-Cas復(fù)合體。在這個(gè)復(fù)合體中，sgRNA負(fù)責(zé)識(shí)別目標(biāo)DNA，Cas蛋白負(fù)責(zé)切割DNA。

DNA識(shí)別和切割：sgRNA-Cas復(fù)合體會(huì)在細(xì)胞中尋找與sgRNA目標(biāo)序列配對(duì)的DNA序列。一旦找到，Cas蛋白就會(huì)在這個(gè)地方切割DNA，產(chǎn)生一個(gè)雙鏈斷裂。

DNA修復(fù)：細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)自身的DNA修復(fù)機(jī)制來修復(fù)這個(gè)雙鏈斷裂。如果在雙鏈斷裂發(fā)生的地方提供一個(gè)含有所需突變的同源模板，那么在修復(fù)過程中就會(huì)將這個(gè)突變插入到基因中，從而實(shí)現(xiàn)精確的基因編輯。

CRISPR-Cas系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是它的操作簡單，特異性高，可以在任何生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的基因編輯。然而，它也有一些缺點(diǎn)，比如可能產(chǎn)生非特異性切割，或者在修復(fù)過程中產(chǎn)生意外的突變。

小結(jié)

基因編輯技術(shù)已經(jīng)在生物科學(xué)研究和應(yīng)用中起到了革命性的作用。從早期的鋅指核酸酶（ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN）技術(shù)，到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的CRISPR-Cas系統(tǒng)，基因編輯技術(shù)的發(fā)展不僅提高了我們對(duì)生命過程的理解，也為治療遺傳疾病、改良農(nóng)作物和開發(fā)新的生物技術(shù)提供了強(qiáng)大的工具。雖然這些技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)，但是它們的出現(xiàn)無疑已經(jīng)極大地推動(dòng)了生物科學(xué)的進(jìn)步。相信在未來，隨著基因編輯技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，我們期待能夠看到更多的基因編輯應(yīng)用，從而更好地服務(wù)于人類社會(huì)。

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