3种人工核酸酶的原理及其应用探析,分子生物学论文

3种人工核酸酶的原理及其应用探析,分子生物学论文随着基因测序技术的发展，利用基因组编辑技术〔genomeeditingtechnologies〕研究基因的功能已经成为后基因组时代生物学研究的重要方向。锌指核酸酶〔zincfingernucleases,ZFN〕、类转录激活因子核酸酶〔transcriptionactivator-likeeffectornucleases,TALEN〕及规律成簇的间隔短回文重复序列〔clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats,CRISPR〕是继同源重组基因打靶技术后，迅速发展起来的基因组编辑技术。与传统的基因打靶技术不同，人工核酸酶技术是利用限制性内切酶在特定的DNA位点切割DNA双链断裂〔doublestrandbreaks,DSBs〕,诱导细胞产生非同源末端连接〔non-homologousendjoining,NHEJ〕或同源重组〔homologousrecombination,HR〕修复机制对损伤的DNA进行修复，进而实现对基因组的定点修饰。传统的基因修饰技术是通过胚胎干细胞的同源重组实现基因组的靶向修饰[1],但是该技术打靶效率低、耗时长，且打靶后有外源基因的残留[2].人工核酸酶技术构建简单，耗时短且不再依靠ES细胞，能够通过受精卵注射直接获得基因修饰动物，在很多物种已经实现基因的定向修饰。本文将介绍3种人工核酸酶的原理及在生命科学和医学研究的应用。1基于ES细胞同源重组的基因打靶技术传统的基因修饰技术是基于胚胎干细胞的获得与DNA同源重组引入外源基因这两种技术获得转基因动物[1].同源重组技术是在酵母细胞中最先发展起来。Smithies等[3]初次证明了在哺乳动物细胞也存在同源重组现象。Mansour等[4]采用了正负选择系统使同源重组的概率大大提高。同时，Capecchi[5]利用ES细胞同源重组打靶技术成功构建基因敲除小鼠。固然基于ES细胞的同源重组基因打靶技术能够实现基因组的定点突变，但是由于该技术依靠于胚胎干细胞的获得、胚胎干细胞嵌合到动物生殖细胞的能力以及同源重组在胚胎干细胞中的重组效率等因素，导致这种基因打靶技术存在效率低、耗时长并有明显物种限制的缺陷。2人工核酸酶介导的基因修饰技术当前，主要的人工核酸酶主要包括3种：ZFN、TALEN和CRISPR系统。这3种基因组编辑技术的工作原理大致类似：DNA的特异性结合，限制性内切酶在特定的DNA位点切割DNA双链断裂〔doublestrandbreaks,DSBs〕,诱导细胞产生非同源末端连接〔non-homologousendjoining,NHEJ〕和同源重组〔homologousrecombination,HR〕修复机制对损伤的DNA进行修复，进而实现对基因组的定点修饰[6,7].2.1锌指核酸酶锌指核酸酶〔zincfingernucleases,ZFN〕是第1代人工核酸酶，ZFN由锌指蛋白〔zincfingerprotein,ZFP〕构成的特异性的DNA结合域和核酸内切酶FokⅠ构成切割域两部分组成[8,9].DNA结合构造域由3~6个Cys2-His2锌指重复单位组成。ZFP能够辨别并结合3个连续的碱基，然后ZFP在核酸内切酶FokⅠ的指导下在靶基因位点将DNA双链切开〔Fig.1〕。由于核酸内切酶FokⅠ需要构成二聚体才具有酶切活性[10].因而需要将两个锌指蛋白分别与核酸内切酶FokⅠ结合，使核酸内切酶FokⅠ构成二聚体将DNA双链切开，诱发细胞的DNA损伤修复机制[11].经过十几年的发展，锌指核酸酶技术已经成功应用于很多物种的遗传研究，不仅在果蝇[12]、斑马鱼[13]、大鼠[14]、小鼠[15]等多种形式动物成功实现了基因敲除或修饰，而且在2005年ZFN技术初次实现了对人类细胞的基因的定点敲除[16],随后更多类型的人类细胞也成功实现了靶基因的定点修饰[17,18].作为最先应用的靶向基因编辑技术，与ES细胞同源重组基因打靶技术相比ZFN技术有下面几点优势：1〕不需要获取ES细胞就能实现基因组修饰；2〕ZFN能够实现基因的定点修饰；3〕敲除效率明显提高。但是，ZFN也有一定的局限性，比方：ZFN对于每一个特定的靶点都需要构建庞大的锌指表示出文库，然后再挑选出高效且特异的锌指蛋白，这一构建经过耗时耗力且费用较高。2.2类转录激活因子核酸酶类转录激活因子核酸酶〔TALEN〕是第2代人工核酸酶，与ZFN相比，构建愈加简单，特异性更强。TALEN与ZFN结构类似，其DNA结合域由TALE蛋白构成，TALE蛋白的DNA结合域由12个以上的串联重复单元组成[20],每个重复单元一般含有34个氨基酸残基，华而不实第12、13位氨基酸被称为RVD〔repeat-variablediresidue〕[21,22].不同的RVD能够特异性辨别一种或多种碱基，当前已经发现了五种RVD,它们与碱基对应关系为：组氨酸-天冬氨酸辨别碱基C;天冬酰胺-异亮氨酸辨别碱基A;天冬酰胺-天冬酰胺辨别碱基G或A;天冬酰胺-甘氨酸辨别碱基T;天冬酰胺-丝氨酸能够辨别A、T、G、C中的任一种。与ZFN的工作原理一样，两个TALE蛋白分别与核酸内切酶FokⅠ结合构成二聚体，对基因组上特定靶位点进行切割，诱导细胞DNA修复机制从而实现靶位点的基因修饰〔Fig.2〕。目前TALEN技术已经成功的应用于包括果蝇[23]、斑马鱼[24]、大鼠[25]、小鼠[26]以及人类的多能干细胞[27]等的基因组修饰。2020年，我们的研究组与国内学者合作利用TALEN技术实现了对非人灵长类X染色体连锁基因MECP2基因敲除[28].TALEN技术较ZFN技术有宏大的进步。TALEN技术有如下优势：1〕在构建上TALEN易于ZFN,且TALEN只需要简单的分子克隆技术就能够完成挑选；2〕TALEN在辨别靶位点时有愈加广泛的选择范围，且在特异辨别DNA序列上能力更强，特异性更强，相应的效率也高。但是，TALEN技术当前仍然处于初级阶段，存在下面几个方面存在的问题：1〕与ZFN一样TALEN辨别目的基因的成分是蛋白质，构建辨别20bpDNA的TALEN蛋白，可能需要设计含有1000多个氨基酸的TALEN蛋白，这可能会引起机体的免疫反响，进而在细胞中降低TALEN的作用；2〕TALEN也存在一定脱靶问题，这会直接影响基因的敲除效率。2.3规律成簇的间隔短回文重复序列规律成簇的间隔短回文重复序列〔CRISPR〕系统是第3代人工核酸酶，该系统最初并没有被应用于生物基因组的编辑，而是在原核生物中表现出某种获得性免疫功能，能使宿主获得抵抗噬菌体、质粒等外来DNA入侵的免疫能力[29].CRISPR系统通常由CRISPR基因座转录的RNA以及CRISPR-associated〔Cas〕蛋白两个部分组成，华而不实最为常见的是Ⅱ型CRISPR系统即CRISPR/Cas9系统。在CRISPR/Cas9系统中CRISPR基因座转录crRNA〔CRISPRRNA〕与转录激活crRNA〔trans-activatingcrRNA,tracrRNA〕退火构成复合物特异辨别基因组序列，然后引导Cas9核酸内切酶在目的片段生成DNA双链断裂〔double-strandbreaks,DSBs〕,进而诱导细胞产生DNA损伤修复〔Fig.3〕。目前，CRISPR/Cas9已经在斑马鱼[29]、大鼠[30]、小鼠[31]、以及人类细胞[32]等成功实现了基因的靶向修饰。除此之外，2020年，我们与合作者利用CRISPR/Cas9技术对非人灵长类的基因组进行了修饰，获得多位点基因敲除食蟹猴[33].CRISPR/Cas9系统相比于ZFN和TALEN有着明显的优势：首先，CRISPR/Cas9系统的靶位点比ZFN和TALEN在基因组中分布范围广；其次，CRISPR/Cas9系统能够同时实现对多个基因进行定点修饰，而ZFN和TALEN则需要多对；再次，相对于ZFN和TALEN的构建，CRISPR/Cas9系统愈加相简易且成本较低；最后，Ⅱ型CRISPR/Cas9系统易于改造，例如将cas9蛋白进行改造能够实现对真核细胞转录的调控[35].然而，CRISPR/Cas9系统也存在像ZFN、TALEN这些人工核酸酶常见的脱靶效应[36,37].3基因组编辑技术的应用3.1基因功能研究随着基因测序技术的不断发展，深切进入了解基因的功能、构建人类疾病动物模型以及探寻求索新型基因治疗方案已经成为后基因组时代的重要研究方向。而基因敲除是基因功能研究必不可少的环节，随着人工核酸酶技术的不断发展，ZFN、TALEN和CRISPR/Cas9系统都已经在很多物种实现了靶基因的敲除。例如：2018年，Geurts等[38]利用ZFN技术成功构建靶基因敲除的大鼠，而且该基因突变能够稳定遗传至后代；Huang等[39]利用TALEN技术在斑马鱼中实现对Tnikb和Dip2a两基因的定点突变，并证明这种突变能够稳定地遗传；利用传统的基因打靶技术很难实现对哺乳动物的Y染色体的基因修饰，而Wang等[40]成功利用TALEN技术实现了小鼠Y染色体上相关基因的修饰，并且成功获得了基因修饰的小鼠。Wang等[41]利用CRISPR/Cas9技术实现了同时高效编辑5个不同基因，这对于基因家族成员的功能相关性的研究有着重要的意义。同样的结果相继在斑马鱼[29]和人体细胞[32]被证实。3.2人类疾病模型人类疾病动物模型在探寻求索发病机制、疾病诊断及药物挑选等方面发挥重要作用。采用基因组打靶技术至今，研究者已制备很多重要的人类疾病动物模型。Jaenisch等报道了利用CRISPR/Cas9技术构建多基因突变的小鼠，实现初次应用CRISPR/Cas9技术对哺乳动物进行基因编辑。2020年，我们研究组[28]与国内学者合作利用TALEN技术实现了对食