抗击新冠肺炎疫情两年多,全国上下同心协力,创造了许多奇迹。每当危急时刻,医护人员通常会为人们采集拭子,再经过专用设备进行检测。后来,更先进的核酸检测试剂盒出现了,它们不依赖专用设备就可以快速完成新冠病毒的检测。这种试剂就是在新型基因编辑工具“CRISPR-Cas12b”基础上研发成功的,后者被称为基因编辑的利器——“基因剪刀”。
一种能切割DNA的酶
动植物、微生物、细菌等生物体细胞都包含了一套遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)。而基因是DNA中具有遗传效应的片段,储存着生命的信息。如果病毒把自己的基因植入了生物体细胞并混在其中不断复制,该生物体就会生病。
在研究病毒的过程中,有科学家发现一种细菌的蛋白质分子,能从万千基因中找出病毒的基因,然后将其“一刀劈开”。这种神奇的蛋白质分子,叫作CRISPR-Cas9,也被称作“基因剪刀”。其中,CRISPR是指原核生物基因组内的一段重复序列,而Cas9是一种RNA导向的核酸酶(即一种能切割DNA的酶)。
但Cas9并非Cas蛋白家族中唯一一种RNA导向的核酸酶。除了Cas9之外,研究人员还发现了Cas12a和Cas12b,并形成一套CRISPR-Cas基因编辑系统。这些不同的基因编辑系统好似不同的“基因剪刀”,让基因编辑的过程如使用剪刀般利索。有了这些“基因剪刀”,人类不仅可以对付病毒,还可以对目标基因进行其他编辑,实现对特定DNA段的删除、加入。
精准好用的“基因剪刀”
研究显示,SpCas9有1369个氨基酸,LbCas12a有1274个氨基酸,而AacCas12b仅有1129个氨基酸。也就是说,Cas12b比广泛使用的Cas9和Cas12a的尺寸更小,是一把小巧灵活的“基因剪刀”。与小型Cas9相比,Cas12b可以显著增加基因组的靶向范围。最重要的是,Cas12b具有较小的脱靶效应,因此可以作为治疗和临床应用更安全的选择。
简言之,与其他基因编辑工具相比,CRISPR-Cas12b更精准,也更容易在生命体中递送基因治疗药物。同时,它具有更宽广的活性温度和酸碱范围,这意味着CRISPR-Cas12b更加稳定、易于储存,也更适合体外检测。正是基于这一优势,我国科学家开发出了更方便检测新冠病毒的新试剂。
目前被广泛使用的能够快速检测新冠病毒的试剂盒,就是中科院动物研究所相关团队在新型“基因剪刀”CRISPR-Cas12b的基础上研发成功的。与传统的检测方法相比,它更便捷、更简单、更快速,不需依赖复杂的仪器设备。
生命科学的“国之重器”
基因组编辑技术面临最大的困难,就是精准切断基因组中特定位置的DNA,而“基因剪刀”是目前为止最快速实用的基因组编辑工具之一。各国都在积极研发自己的“基因剪刀”,CRISPR-Cas12b已成为我国在基因编辑领域的“国之重器”。
随着科学技术的迅猛发展,我国科学家现在可以做到利用“基因剪刀”精准改变生物体的基因序列,不仅仅是剪除,也能修复。例如,在基因组中特定位置进行剪切产生DNA双链断裂,诱导生物体对切口进行修复,通过不同的修复方式实现基因的删除、插入、替换等。
当然,“基因剪刀”也不只用在核酸试剂上。在应用上,“基因剪刀”促成了基础研究中的许多重要发现。在农业方面,植物研究人员培育出了耐霉、耐害虫和耐干旱的作物。在医学方面,“基因剪刀”正用于多款基因药物的研发。近日,我国还有科研团队宣称已经找到了鱼刺的基因,如果能用“基因剪刀”编辑掉这些基因,未来吃鱼不吐刺或将成为现实。
(本报综合)