发布时间:2015-07-29

生命科学的尖端技术

基因组，包含有创造生命所必需的全部遗传信息。在数量庞大的遗传信息中，锁定靶向基因并按照预期对其修改的技术，即基因组编辑。本文将对受到深度关注的基因组编辑技术进行解说。


能够切断靶向基因的特殊的酶
基因组编辑技术本身被认为可能会改变世界，是一项划时代的技术发明。正如本文开头所述，基因组编辑技术可以高精度且简单地实现基因的改写。而今，使用基因组编辑技术已经陆续创造出了能有效防止病虫害的农作物、肉质良好的家畜、生物燃料制造能力提高的微生物、用于研究疾病的动物等。
使得基因组编辑技术成为可能的是，能够切断靶向基因的特殊"DNA剪切酶"。
细胞核中有长链状的DNA，其中某些区域上分布有各种基因。例如小鼠的细胞核中有合计约长1.7米的DNA，在不同区域分布有2万多个基因（每种基因有两个，从父亲和母亲处分别获得一个）。基因组编辑技术所使用的DNA剪切酶能够靶向切断基因DNA的特定位点。
由于某种原因，细胞中被切断的DNA具有重新连接的功能。因此，DNA剪切酶切断靶向基因的DNA后，细胞会让DNA重新连接。基因改写就发生在这个时候。
基因编辑大致分为两种。第一种是让靶向基因不再发挥作用，第二种是将靶向基因替换成其他基因。被切断的DNA重新连接时，由于被切断部位的部分DNA缺失，所以基因不再发挥作用。在第二种方法中，同时将其他基因的DNA片段导入到细胞内，将其放在被切断的基因的DNA之间，这样就实现了基因的替换。

一次切断多种基因也成为可能
基因组编辑中使用的DNA剪切酶是一种怎样的物质？它是如何分辨靶向基因的呢？
现在，基因组编辑所使用的代表性DNA剪切酶有"ZFN"、"TALEN"、"CRISPR/Cas9"三种。所有的DNA剪切酶都是由与DNA结合的部分和切断DNA的部分组成（参照后页上图）。
DNA是由反向平行的双链组成的聚合物。每条链是由五碳糖、磷酸、碱基组成的基本单位依次连接形成。碱基分为腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四种，遗传信息是通过这四种碱基的排列顺序来记录的。
在与DNA结合的部位，DNA剪切酶识别靶向基因的DNA碱基序列，并与之结合。结合之后，自动将DNA切断。也就是说，事先设计剪切酶的结构，让其能够识别靶向基因的DNA碱基序列，那么就会成功切断靶向基因的DNA。
ZFN和TALEN都是由蛋白质组成的DNA剪切酶。它们本身在自然界都是不存在的，ZFN是1996年、TALEN是2010年人工合成的。
而CRISPR/Cas9原本是作为与细菌、古细菌免疫相关的分子被人们所认识，2013年被证明可以用于基因组编辑（请参照文后的访谈）。
ZFN和TALEN都是蛋白质，而与此相对，CRISPR/Cas9是由"向导RNA"和"Cas9"两个不同的分子组成。向导RNA是由RNA组成的，可以与DNA结合。与DNA一样，RNA也是由五碳糖、磷酸和碱基组成的链状分子。因为DNA上有与RNA的碱基序列对应的碱基序列，所以RNA具有与其结合的能力。而Cas9是由蛋白质组成的可以切断DNA的分子。向导RNA与DNA结合后，Cas9与DNA结合，覆盖向导RNA与DNA,从而切断DNA双链。
日本广岛大学研究生院教授山本卓博士认为，"因为CRISPR/Cas9系统是由与DNA结合的向导RNA和切断DNA的Cas9两部分组成，因此应用起来很方便。如果能够熟练使用这一项技术，哪怕想要切断不同的基因，也只需要更换向导RNA即可"。将多种向导RNA与Cas9同时导入细胞内，就可能会一次性切断多种基因。