点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:当基因可以编辑,可以为人类带来什么?
首页> 科普频道> 三农科普> 基因故事 > 正文

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

来源:光明网2020-09-22 20:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  编者按:小小的基因背后隐藏着人类身体的无限奥秘,随着科技的发展,我们已经了解到基因对于人类遗传所起的重要作用。那么,基因缺陷的人是否可以通过修改基因使下一辈获得健康?基因编辑技术到底是什么?本文带你探索基因编辑的奥秘。

  “世界上没有完全相同的两片树叶,也没有完全相同的两个人。”这句话出自德国哲学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨。有人是卷发,有人是直发;有人是蓝色瞳孔,有人是棕色瞳孔;生而为人,为什么大家各不相同呢?答案来自基因。

  基因,就是遗传物质,也就是带有遗传信息的DNA(脱氧核糖核酸)片段。DNA是由腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)4种碱基两两配对形成的双螺旋结构,在我们体内会转录成RNA(核糖核酸),RNA被翻译成蛋白,蛋白再经加工后就会起各自相应的作用。我们每个人从父母那里获得的遗传物质不同,因此长得也就各不相同了。

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

  DNA双螺旋结构示意图(图片来自网络)

  基因不仅能决定我们的长相,自然界中的各种生命现象也都离不开基因的控制,比如水母会发光,珊瑚虫五彩斑斓的颜色,树叶的各种形状等等。那么如果获得了让水母发光的基因,是不是也可以让别的生物发光呢?

  答案是肯定的。

  水母会发光是由于体内带有一段能表达发光蛋白的基因,我们通过一定的手段获取到这段基因,再把它装进别的生物体内,这种生物就可以发光了。

  这个过程就要用到基因编辑。用这种技术,不仅可以让生物体发光,还能标记不同的细胞,不同的器官,不同的神经元,使它们呈现不同颜色的光。就像下图中,细胞能发绿色的光是因为插入了一段来源于水母的能翻译成绿色荧光蛋白的GFP基因,线虫能发红色的光则是插入了来源于珊瑚虫的mCherry基因。这些基因在细胞和线虫体内进行转录和翻译,行使它们的功能,从而让细胞和线虫能够发光。

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

  发光的细胞、线虫(图片来自网络)

  进行基因编辑的方法有许多,传统的基因编辑方式有锌指核酸内切酶(ZFNs),转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs),转座酶,小干扰RNA(siRNA)等。而在近几年,作为当今科研所用到的主流基因编辑技术,“CRISPR”正悄然走进我们的生活。

  CRISPR的全称是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(成簇的规律间隔的短回文重复序列),这种序列需要一个与它一起作用的蛋白,我们称之为Cas(CRISPR associated)蛋白。

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

(图片来自网络)

  CRISPR/Cas系统发挥作用需要三个步骤,首先,当入侵者首次侵入的时候,CRISPR系统就会捕获一段入侵者的基因序列,当作身份证明,这样就可以识别它了;接下来,由Cas1/Cas2将这段捕获好的序列整合到CRISPR的重复序列之间,这段用于识别身份的序列就叫间隔序列;最后,这段序列经过转录产生一段段带身份识别和引导功能的CRISPR RNA(crRNA),能够找到目标入侵者的DNA序列,通过与其进行识别互补后,就可以激活Cas9蛋白,把入侵者的DNA双链切断,让它失去功能。

  那么既然是通过一段序列进行识别的,就可能存在“认错人”的情况。在很多时候,Cas9也的确表现出了较高的脱靶率,也就是在不该切的地方,随随便便就给它来一刀。因此,研究如何降低Cas9的脱靶率也是当前科学研究中的热点。

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

  当然,不仅有针对DNA进行切割的蛋白,也有针对RNA的。近几年刚发现了一类VI Cas蛋白,被称为Cas13,它们就是针对RNA的一类蛋白。原理和Cas9类似,都是通过一段识别身份的序列,引导蛋白去进行切割,进而进行编辑。

  那大家是不是就有疑问了,这个蛋白只是对DNA进行切割,那么怎么插入我想要让它表达的片段呢?

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

  我们可以看到上面这张图,上面的双线可以看作是我们即将要改造的DNA,下面环状的是我们用来进行改造的工具载体,载体中间的红色色块则代表我们想要转进去的一段基因,它的两边有和改造DNA完全相同的两段序列(红色和蓝色线条),称之为同源臂。

  在将Cas9和工具载体一起转进细胞或注射到受精卵后,Cas9先对DNA在特定位置进行切割(绿色标记处),形成DNA双链断裂(DSB)。然后再把载体连着同源臂这一段也切下来,目标基因两端红色和蓝色同源臂与改造DNA相互识别,发现他们竟然是一样的!那一样的当然可以互补配对连在一起。这样在修复了DNA断裂的同时,也就把目的基因整合在基因组上了。

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

  当然,这种编辑方式并不是百分百可以成功的,有许多因素都可以影响基因整合的效率,比如细胞或受精卵的状态,分裂时期,以及其它很多我们还未知的因素。

  因此,为了确保万无一失,在进行科研工作的时候,都会同时注射好几十个受精卵,等它们长成成熟的生物体后进行鉴定,挑选出成功进行基因编辑的个体来进行后续的研究。

  利用基因编辑,不仅可以表达一些外源的基因,也可以在某些情况下,对单个碱基突变的基因进行修复,能用来治疗一些疾病。很多疾病都是由于基因的单碱基突变造成的,比如铁贮积症遗传性血色病、阿尔茨海默症、乳腺癌等等。

  单碱基编辑,是利用失活的Cas9(dCas9)融合别的蛋白来行使功能。主要利用CRISPR/Cas的定位功能,把特定的能进行单碱基编辑的蛋白酶带到需要修复的位置后,CRISPR/Cas的任务就完成了,剩下的就交给特定功能的蛋白酶,去进行需要的编辑。

  讲了这么多,大家也可以发现基因编辑并不是万无一失的,它的研究还有很长的路要走。也许你认为它离你很远,但是可能在不久的将来,许多和基因相关的疾病,都可以被它攻克。在科技发展日新月异的今天,科学家们已经把无数的不可能变为可能,把许多的未知书写为知识,不断地探索着生物体的无穷奥秘。

  出品:科普中国

  作者:刘宇慧 同济大学生物学在读博士

  监制:中国农学会 光明科普事业部

当基因可以编辑,可以为人类带来什么?

[ 责编:张蕃 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 人工智能乌镇对话:开源的价值之问、治理之道和普惠之愿

  • 2026年世界互联网大会乌镇峰会开幕

独家策划

推荐阅读
西北戈壁滩上,多方向、多批次自杀式无人机集群低空掠过,高速冲向目标。“我们聚焦制约激光反无装备性能的关键技术,持续多年开展攻关,先后破解光纤拉制、散热控温、精准打击等难题。
2026-11-04 09:55
1.75万辆北斗高精度共享电单车服务超600万人次,“5G+北斗”低空空域监视通信专网填补空白……近期,第五届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲举行,一项项北斗应用惊艳亮相。聚力卫星研制、终端制造、场景示范、国际合作,“北斗之城”将迸发出更大能量,成为中部崛起的强劲力量。
2026-11-04 09:49
今年8月,在2026世界机器人大会举办期间,全国首个具身机器人演出“沙盒审批”试点在北京亦庄落地,首形科技(北京)有限公司、北京中科慧灵具身智能科技有限公司、阿卡帕尼(北京)机器人有限公司三家企业获颁《具身机器人演出“沙盒审批”准入证明》。北京经开区已率先落地全国首个数字人营业性演出沙盒试点,如今演出“沙盒审批”已从虚拟数字人延伸至实体机器人。
2026-11-04 09:48
今年“双十一”电商大促,Token(词元)以独立品类在多个电商平台上架,看不见、摸不着的算力服务,变成可以下单的商品。青海西宁市民苏国庆是一名短视频爱好者,为了让视频呈现更好的效果,趁着电商大促,他“囤”了不少Token。
2026-11-04 09:45
“十五五”规划纲要提出,面向生物育种、生产管理、疫病防治等场景加快农业数智化升级。站在“十五五”开局之年,我国数智技术加速赋能千行百业,成为驱动经济发展的创新动力。
2026-11-04 04:20
11月3日8时15分,力箭二号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的千帆极轨21组卫星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-11-03 09:33
2026年5月,国务院印发《加快农业农村现代化“十五五”规划》,对“健全现代农业经营服务体系”进行部署,强调“将先进适用品种、技术、装备引入小农户”“促进小农户和现代农业发展有机衔接”。
2026-11-03 03:55
近日,中共中央、国务院印发《关于发展新质生产力的意见》,对“改造提升传统产业”作出系统部署,并将其作为推动科技创新和产业创新深度融合的重要任务之一。
2026-11-03 03:55
1983年2月,“两弹一星”元勋钱学森给中国科学院院士李正武写了一封信。信件仅200余字,没有客套寒暄,却映照出两位“患难之交”的深厚情谊和默契。
2026-11-03 03:55
近日,中国科学院昆明动物研究所科研人员联合缅甸同行,在缅甸伊洛瓦底江水系发现宝鳊属一鱼类新种——蓝纹宝鳊。相关成果已发表在国际期刊《动物分类杂志》上。
2026-11-03 03:55
广东油柑、贵州抹茶、四川栀子花、西藏青稞,这些作物有几百年甚至上千年的种植史。祖祖辈辈种下来,为什么偏偏这几年,被一杯奶茶给带火了?
2026-11-02 09:53
2026世界顶尖科学家论坛开幕式暨颁奖典礼、主论坛日前在上海举行。颁奖典礼上,11位科学家分别获颁2026世界顶尖科学家奖“智能科学或数学奖”、2026世界顶尖科学家奖“生命科学或医学奖”和今年增设的2026世界顶尖科学家奖“青年科学家奖”。
2026-11-02 09:59
10月31日,以“万物智联共创未来”为主题的2026世界物联网博览会在江苏无锡举办开幕式,无锡国家人工智能产业创新应用先导区建设在本次大会同步启动。
2026-11-02 09:57
生物多样性是人类赖以生存发展的重要基础,对生物多样性的威胁也是全球面临的三大环境危机之一。海洋生物多样性对保障海洋生态安全、促进海洋可持续发展、实现人海和谐共生具有重要作用。在气候变化与人类活动双重压力下,海洋生物多样性治理是各国共同的责任使命。
2026-11-02 10:03
1日,国家海洋环境预报中心正式发布“妈祖”海洋预报数值模式2.0版本。据悉,升级至2.0版本后,“妈祖”海洋预报数值模式预报分辨率进一步提升,应用场景进一步拓展,自主可控水平进一步增强。
2026-11-02 09:58
记者詹媛29日从中国汽车工程学会了解到,该学会日前发布了《2027年度中国汽车十大技术趋势》。这份凝聚共识的行业“风向标”提示,明年,汽车的电池会更强、芯片更自主、“硬科技”使用更多,且能减少堵车。
2026-10-30 09:51
如果说户外运动项目是产业发展的根系,选对项目之后还要让它根往深里扎,让项目发展的更有质量。户外运动产业的高质量发展,体现于一个个鲜活的户外运动项目及项目产业的健康成长,根深方能叶茂,户外运动产业才能行稳致远。
2026-10-30 09:49
生态环境部29日公布的全国地表水环境质量状况显示,今年1月至9月,全国地表水Ⅰ至Ⅲ类水质比例为86.1%,同比上升1.7个百分点;劣Ⅴ类水质比例为0.8%,同比下降0.4个百分点。
2026-10-30 09:50
脑膜边界的免疫细胞还会“监控”蛋白清除过程,并促成免疫耐受反应,避免免疫系统误伤大脑自身组织。在正常生理状态下,这一多通路清除系统与蛋白生成之间保持动态平衡。在此背景下,恢复或增强脑内蛋白清除通路的功能成为值得关注的方向。
2026-10-30 09:59
深秋的陕北,天高云淡。记者走进陕西省榆林市佳县方塌镇圪崂湾村现代农业示范园,联排的大棚在黄土高原的沟峁间依次排开。棚内葡萄藤上挂满沉甸甸的果实,工人们正忙着采摘、分选、打包。
2026-10-30 09:56
加载更多