CRISPR与基因组编辑

可编程核酸酶，特别是RNA引导的CRISPR-Cas系统，如何在DNA中进行靶向切割，使研究人员能够以前所未有的便捷性编辑基因组。

Definition

基因组编辑是利用可编程核酸酶在选定位点对生物体DNA进行靶向改造；CRISPR-Cas是一种RNA引导系统，源自细菌免疫，其中引导RNA将Cas核酸酶引导至匹配的DNA序列，以产生用于编辑的双链断裂。

Scope

本主题涵盖以CRISPR-Cas为核心的靶向基因组编辑。它探讨了CRISPR作为一种适应性免疫系统的细菌起源，Cas9通过RNA引导进行DNA切割的原理，以及如何通过修复由此产生的断裂来删除或插入序列，并简要对比了早期的可编程核酸酶。本主题侧重于方法及其逻辑；更广泛的克隆、扩增和测序方法将在相关主题中介绍。

Core questions

• CRISPR的来源是什么？其自然功能是什么？
• 引导RNA如何将Cas9引导至特定的DNA序列？
• 双链断裂如何用于删除或插入序列？
• CRISPR与早期的基因组编辑工具相比如何？

Key theories

RNA引导的DNA切割

Jinek及其同事表明，Cas9核酸酶可以通过单个引导RNA进行编程，以切割任何匹配的DNA序列，从而将细菌免疫系统转变为一种多功能、易于靶向的编辑工具。

修复导向的编辑

在靶点处产生的双链断裂由细胞自身的通路修复，因此易错的末端连接会破坏基因，或者同源定向修复会引入由模板提供的明确变化。

Mechanisms

在CRISPR-Cas编辑中，引导RNA与靶DNA序列（邻近短识别基序）进行碱基配对，引导Cas核酸酶在该位点切割两条链。细胞随后修复断裂：非同源末端连接通常会引入小的插入或缺失，从而使基因失活，而同源定向修复（在提供供体模板的情况下）则会安装精确的序列变化。由于特异性仅由引导RNA序列决定，因此该系统比早期的蛋白质编程核酸酶更容易重新靶向。

Clinical relevance

基因组编辑正在被开发用于基因和细胞疗法，并且是一种标准的科研工具，但其在人类中的应用引发了重要的伦理考量；此处将其作为重要性而非临床指导进行介绍。

History

在发现CRISPR位点构成细菌适应性免疫系统的基础上，Doudna和Charpentier于2012年证明Cas9可以通过单个引导RNA进行编程，从而确立了CRISPR基因组编辑技术，并因此获得了2020年诺贝尔化学奖。

Debates

人类生殖系编辑

编辑可遗传细胞引发了关于知情同意、脱靶效应和公平性的伦理和安全问题；科学界呼吁谨慎，同时非可遗传细胞的应用正在推进。

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier

Seminal works

• jinek2012
• watson2013

Frequently asked questions

CRISPR中的引导RNA有什么作用？

它与匹配的DNA序列进行碱基配对，并引导Cas核酸酶在那里进行切割，因此改变引导RNA就会改变靶点。

切割DNA如何导致编辑？

细胞会修复断裂；根据修复途径和提供的任何模板，这要么会破坏基因，要么会引入精确的预期变化。