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

  • 9月份我国CPI同比上涨0.9%

  • 黄河壶口瀑布现云海景观

独家策划

推荐阅读
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
高校辅导员队伍建设要把握高校思政工作的“变”与“不变”,着眼于增强辅导员对人工智能的趋势感知力、技术理解力、实践创新力和伦理判断力,将政策理念、形势挑战、技术发展、实践案例相结合,精心设计课程,切实增强人工智能赋能质效,全时空陪伴“数字一代”。
2026-10-13 09:57
今年10月12日,是我国首批国家公园设立五周年。五年来,各国家公园统筹推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,实施栖息地修复、生态廊道连通、人为活动管控等系列举措,区域生态本底持续巩固。
2026-10-13 09:51
巴山蜀水,苍茫山林间,大熊猫安然栖息,川金丝猴、珙桐等同域珍稀动植物共生于此。多年前,栖息地面积缩减一度令大熊猫濒临灭绝;圈养大熊猫也长期面临繁殖难、育幼难等难题,维系大熊猫种群数量极为不易。
2026-10-12 10:09
近年来,河北省唐山市丰南区积极调整农业结构,引导农户发展特色农业,通过“南果北移”“南苗北育”模式,引进优良甘蔗品种种植,促进农业增效农民增收。图为10月11日,唐山市丰南区黄各庄镇宣庄六街的农民在田间收获甘蔗。
2026-10-12 10:08
加拿大外长阿南德也表示,北极在关键矿产、能源、交通等方面拥有巨大潜力,但关键在于要让“当地人受益”。赵隆指出,特朗普2025年重返白宫后美国再度退出《巴黎协定》,加深了其与盟友在气候政策上的分歧。
2026-10-12 10:07
6时30分起,各类等待审核、签发的预报预警材料堆满了陈涛的案头;一个半小时后,全国天气会商准时开始,陈涛快步走上首席预报发言岗位——多方预报意见不断交汇,最终产生预报结论。
2026-10-12 10:07
加载更多