基因编辑,CRISPR/cas9技术如何修改DNA
基因编辑新闻
前不久新闻特别火
他对一个人类的胚胎细胞进行了编辑
并且让这个基因编辑过的人类胚胎细胞
成功的发育成的两个小孩
这个新闻一出 全世界舆论哗然
我们接下来就说说基因编辑到底是怎么一回事
为什么一个科学技术会引发这么多人的非议呢
今天我们就来讨论一下这个问题
什么是基因?
首先 我们先来说一下什么是基因
我们知道人是由细胞构成的
这是一个人
这个人他身体中有细胞
如果我们把这个细胞放大
我们会发现细胞里边有一个很小的一个核
这个细胞核 它是用来储存遗传物质的
如果我们再把这个细胞核放大 里面会有一个双螺旋的结构
这个双螺旋的结构就叫DNA 也就是脱氧核糖核酸
假如我们把这个脱氧核糖核酸再进行放大的话
我们会发现它实际上是一个双链结构
我把它撑成直的
脱氧核糖核酸DNA
然后它有一个一个的碱基对 这么对着
脱氧核糖核酸DNA 它是由核苷酸构成的
核苷酸有三个部分
其中有一个部分就是碱基 这个碱基是互相对着的
碱基一共分为四种 分别是A T C G
而且它们之间有一个互补的对应关系
就是如果这个是A的话
它对的一定是T 就是A和T对应
而C和G对应 就这么一个关系
核苷酸碱基对
所以假如说这个碱基对分别是AACTG的话
那么跟它对应的关系A要对T 所以就是TTGAC
就这么一个对应关系
这个就是DNA的一个基本结构
DHA碱基AACTG对应关系图
人们对于DNA进行了仔细的研究 就发现了一件事
什么事呢
就是人们就发现这个碱基的顺序
其实就代表了人类的一种遗传信息 就称之为基因密码
所谓破解基因密码就是要搞清楚说这一段的碱基顺序
AAC它表示什么 它好像表示这个人是个大眼睛 是吧
后面还有什么TTG 表示什么 表示这个人双眼皮儿
碱基表达的意思
后面还有个基因表示什么 表示这个人是个色盲等等吧
说这个遗传信息其实就是隐藏在DNA的这个碱基的顺序之中
人们就把能够实现一定功能的这个碱基的序列
就称之为一个什么呢 称之为一个基因
这个就是基因的含义
基因的含义
那么这个基因是怎么去影响人的
为什么有的人长得是这个红色的这个头发
有人长的是黄色的头发 有人长的是黑色的头发呢
人们认为这个过程是这样的
DNA转录成RNA,RNA翻译成蛋白质
首先这个DNA它是储存在细胞核中的
那么它不直接指导蛋白质合成
它会生成一种单链的结构叫做RNA 也就是核糖核酸
这个核糖核酸可以跑到这个细胞核外面去
去翻译 指导这个蛋白质的合成 这过程称之为翻译
就是把这个密码变成蛋白质听得懂的 它就会生成蛋白质
而这个蛋白质就可以作为我们身体的各个部分的结构
这样的过程就是DNA如何指导这个生物的结构
DNA转录,RNA翻译成蛋白质
那么基因的问题 其实人们从上个世纪50年代就已经开始研究了
但是这一次贺建奎所使用的这个CRISPR方法
实际上是本世纪才开始的
如果想了解CRISPR方法
我们首先还是要回到微生物学
微生物
比如说微生物有细菌
还有什么呢 还比如说有病毒
有人可能认为细菌和病毒都是专杀人类的
实际上不一定
实际上有很多病毒是专杀细菌的
这种专杀细菌的病毒我们就称之为什么 称之为噬菌体
-
噬菌体 它专门杀细菌
image.png
在海洋里边每天都会有40%的细菌会被噬菌体杀掉
如果没有噬菌体的话 那这个细菌就会爆发了
噬菌体大概长什么样呢 它长得很神奇
噬菌体它的这个脑袋长了一个正二十面体的形状
噬菌体
然后里面有一些DNA 它的遗传物质
它底下会有一个管子用来输入DNA
然后还有一些触手 这些触手可以抓住一个细菌
它会降落到一个细菌的表面
这就是细菌了 上面那个是噬菌体
降落之后他它就往这打个洞 然后把自己的DNA是放进去
DNA在细菌里面就会不停的复制
就会不停的复制复制复制 复制的足够多
然后它再长出它的蛋白质外壳
长出蛋白质外壳之后那这个细菌没有利用价值了
它就会从这个细菌里面出来
它一旦从细菌里面出来 这个细菌就挂掉了
然后它复制了自己 这就是噬菌体一个基本的工作流程
人们从很早以前早开始就开始研究这个问题 -
1987年 科学家 石野良纯
但是到了1987年的时候 人们有了一个很大的发现
1987年日本有一个科学家叫石野良纯
石野良纯这个科学家 他去研究细菌的这个DNA结构
因为细菌本身它也有DNA 对吧 病毒有细菌也有
他研究细菌的DNA发现在大肠杆菌里面
在大肠杆菌里面这个DNA的结构非常奇怪
有什么奇怪的呢
这个大肠杆菌的DNA 它在某一段会出现重复的结构
比如说会出现CGGTT这样的一个碱基排序
然后又一大堆其它的 再CGGTT
它会反复得出现这种结构
大肠杆菌奇怪DNA结构
那么他就感觉非常奇怪 为什么奇怪呢
因为病毒和细菌这种物体它非常非常小
所以它的DNA表达是非常直白的 它是非常紧凑而高效的
如果你出现了很多这种重复的结构
你表达同一个意思的话 那你干嘛要重复它呢
你不要它不就完了吗
所以他不清楚这是为什么
后来人们在很多的细菌你都发现了这种重复的结构
一直都不清楚这是为什么
这件事一直持续了大概有20年
直到2002年的时候
人们才终于搞清楚了这个问题到底是怎么回事
2005年的时候科学家才真正证实了这个问题 -
2005年 法国科学家巴兰古
当时有人提出说这个细菌中间的这个重复结构
而在2005年的时候法国有一个科学家叫巴兰古
巴兰古他是一个酸奶公司的科学家
我们知道酸奶里边也有很多的细菌
但是他们那个酸奶公司细菌经常会这个闹菌瘟
就是经常会被噬菌体大批的干掉
然后他就去想
我怎么样才能够让我的细菌不被噬菌体干掉呢
于是他就做实验 他做的实验大概是这样
就是把那个链球菌
这是链球菌的DNA
这个是细菌的DNA
image.png
这个他把链球菌放到了噬菌体里面
那噬菌体就是病毒了 对吧
这个是噬菌体
他把这个链球菌放到了噬菌体里面
结果发现这个大量的链球菌都死亡了
但是也总有那么一些这个细菌活下来了
它把这些活下来的细菌拿出来仔细观察就发现
活下来的细菌里的确就出现了什么呀 这种重复的结构
他再仔细的研究会发现 什么呢
这个重复的结构其实就来源于噬菌体
经过仔细的思考 他明白了这样一个道理
事实上细菌对噬菌体是有一定的防御机制的
就是当这个细菌存活下来的时候
它会把这个噬菌体的DNA切下来那么一小段
噬菌体的DNA切了一小段
然后它把自身的这个DNA链断开断开之后它让这个噬菌体这一小段的DNA
插入到自己的这个DNA链里边去 于是细菌就发生了变异
它变异成什么呢
左右两边还是原来自己的DNA
而中间它就插入了刚才那个病毒的DNA
这个DNA其实是来源于噬菌体的
那这么做 它为了识别说这一段不是我自己的
所以它前后会加什么会加一个重复的序列
就是刚才咱们所说的这个什么CGGTT
这两边重复的 两个重复的中间加一段病毒的
表示我已经认识这个病毒了
切掉自己的DNA,插入病毒的DNA
这个噬菌体它又来了
它就想去杀这个细菌
那这个细菌我已经遇到过你一次了
第二次我就不怕你了是吧 为什么呢
因为它会分泌出一种物质叫RNA
这个RNA就是刚才我们所说的那个核糖核酸
这个RNA它起到了一种定位的作用
RNA定位
起到了一种定位的作用 它可以对这个DNA进行观察
说有没有那么一段
是跟我刚才记住的这个不好的噬菌体一样的呢
就找 找找找 唉正好发现
你看这一段的DNA跟我这个记录的这个DNA是一模一样的
于是这个RNA就会指挥一种蛋白质
这种蛋白质叫cas9 指挥这种蛋白质去进行工作
蛋白质cas9
它要干什么呢 它就把这个病毒给切断
把这个病毒给切断 这样一来病毒被切断了
所以它的活性就消失了 这样就起到了一种防御机制
cas9它是一种酶,相当于手术刀
而这个cas9它是一种酶 它可以切断DNA的
那么这种酶相当于一个手术刀
所以这个细菌它实际上这个过程是一种什么呀
是一种特异性的一种免疫机理
免疫 实际上是一种免疫机理
然后人们就思考 这个细菌很聪明
那么这种方法 这种切割DNA的方法
我能不能去使用到人类身上 能不能使用到其他动物身上
我先通过RNA进行定位 找到我想切割那一段
我再通过cas9这种蛋白质进行切割
把DNA切了 切了之后DNA还通过一些机制它可能会合起来
那么这种方法就可以用在基因手术上
这就是现在非常非常火的这个技术 就是CRISPR技术
CRISPR/cas9技术
CRISPR其实指的就是这种重复的序列
那么cas9就指的是这种手术刀 这个蛋白质
这个技术其实出现的时间并不长
世界上三个科学团队把这个技术给同时搞出来了
- 2012年 乔治 张峰()华人) 杜德纳
哈佛大学的乔治
一个是MIT的张峰 华人
还有一个就是UC Berkeley的杜德纳
这三个研究小组同时搞出了这个CRISPR/cas9这种技术
那么这种技术它的基本原理是什么呢
就是跟细菌的这种做法是差不多的
首先我们需要了解一个基因库 -
基因库
基因库
我们了解我们要手术的基因到底是如何排序的
我们要了解这个基因库
这个基因库里 我比如说想敲掉这一段基因
我已经知道这段基因是什么了 然后我干什么
然后我去进行制作 我通过一些化学或者是生物的方法
我去制作和合成这种定位的RNA 制作这个RNA
这个RNA是用来检查这一段到底在基因DNA的哪个地方制作RNA之后 我再把这个RNA和这个cas9这种蛋白质
实际上是含有蛋白质基因的一个载体质粒
把它一起注入到这个细胞里面去
那么注入到细胞里面去之后
这些东西开始发挥作用
RNA就开始进行定位去寻找那一段DNA
找到了之后cas9就把它切下来
这样一来就可以实现基因手术了
那么这种做法有什么好处 - 高效 低价 可敲可编(增删改)
我们以前在进行这个DNA或者基因操作的时候
我们怎么做的
我们用这个什么辐射去照它让它发生变异 对吧
或者是我们用一些像内切酶的办法去进行切割
但是这些方法效率都非常低
就好像是我们一个不会弹钢琴的人在那狂弹钢琴
然后想谱出一好曲子来一样 是很难的
但是现在我们有了一种方法就是这个CRISPR这种方法
这这种方法是指哪打哪 我好像有的一个谱子一样
我直接去弹钢琴效率非常高
因为它效率高 所以它就价格低
因为我做一次实验就够了 我不用做那么多次了
所以价格就非常非常低
还有一个就是它可敲可编
可敲可编的意思就是你可以把中间的某一段去掉
但是同时你也可以编辑 说这个编辑怎么做
比如说我想要一个特定的序列
我可以通过体外制作的方法直接把DNA做出来
把这一段做完的DNA我给你接上这就行了
所以它可敲可编
我甚至于可以随意地按照我的想法去编出一个生物的
理论上讲是这个样子的
所以它是一种非常非常神奇的方法
现在全世界有数千个实验室 都在使用这种方法做实验
是吧 但是没有人敢做人类的胚胎
它有什么好处 这个好处有很多
比如说第一个就是它可以用来对抗疾病
对抗疾病 HIV 癌症 遗传病
疾病从本质上来讲都是人类的免疫系统
或者某一部分的这个基因出了问题了
所以就出现了疾病 比如HIV
HIV它就是攻击人体的免疫细胞
免疫细胞无法识别
那么假如一个人得了HIV之后
我们可以通过基因编辑的方法
让你的免疫细胞可以识别HIV
然后把这种免疫细胞注入你的身体里
这种免疫细胞可能就可以慢慢的去杀灭HIV 对吧
这个实验其实在一些小鼠上已经做了
而且获得了很好的效果
再比如说人人都很害怕癌症 是吧
这个癌症 还是癌症是因为细胞发生了基因的变异 对吧
然后免疫细胞没有识别出这种变异
最后这个变异就爆发了 就产生了癌症
那么如果一个人得了癌症之后
我们可以通过这种基因编辑的方法
让你的免疫细胞变得很厉害
能够抓到这个癌症 这就是所谓的癌症基因疗法
这种疗法其实在中国已经开始开展了
还有很多比如说有一些遗传的疾病
最典型的遗传疾病色盲
总有小孩他是色盲 长大之后要生孩子
她的孩子还是有可能是色盲(X染色体隐形遗传,母亲有,儿子必有)
image.png
那么我们可以通过基因编辑的方法
让他的色盲基因变好
这样一来他的后代就不是色盲了
你看着是不是挺好的
人们预期说用这种办法去进行疾病治疗
可能会使人体的寿命大大延长
甚至有人可能认为这人体的寿命可以达到无限 说为什么
有一些动物它确实有类似于无限生命的这种东西
它有时候会返老还童
说那我们有没有办法把这种动物的基因移植到人身体上
让人也具有这种返老还童的能力
这个也不是天方夜谭也是有可能的
为什么呢 因为我们现在可敲可编
我完全可以把动物的基因移植到人的身体里面去
但是为什么现在出来了这样一个人
他做了一个基因编辑的孩子
却让大家都开始去打他呢
这个原因是因为基因这种手术方法还有很多的问题
存在的问题
- 第一个问题就是它的医学技术问题
现在这种方法刚刚出现
人们其实还没有搞清楚这种方法到底有多大的危险性
在做手术的时候基因会不会出乱子 是吧
这个事还没有讨论清楚
所以这种情况下贸然对一个孩子做手术这个是不对的 - 其次还有一个就是伦理问题
这个伦理问题也是大家讨论的最多的一个问题
因为现在人类已经具有的能力 对这个基因实行编辑
那我于是可以把任何两种物种结合到一块
比如说吧我可以把鱼的基因移植到人身上
我可以把鸟的基因移植到人身上 对不对
那么对于疾病治疗人们认为是没有问题的
但是疾病治疗和改良其实间隔并没有那么明显
比如说吧有一个人他是色盲
那么你通过基因治疗的方法让它变成不是色盲
这是可以接受的
但是如果我再把这个基因稍微改一点
她的视力可能就特别好 超出常人 对吧
那么有的人他就天生矮小 我基因改良他变得比较高
那我要是让这个孩子天生就比较高
是不是比别人就优等了
如果要大家都这么做的话 最后会造成什么
造成经过基因编辑的孩子他智商非常发达
身体非常强壮 寿命非常非常长
而自然出生的这个孩子他身体非常弱小 智商也不行
那个时候社会就会分裂成两个非常大的阶层
那就是经过基因编辑的精英阶层
和没有钱做基因编辑的那些底层
这样社会分化的就会非常严重
再者我们知道虽然我们有能力把人和动物的基因融合
但是一般的科学家不会做这件事
不过我们看美国电影的时候经常有这样的情节
有一个疯狂的人 比如说像什么美国队长,九头蛇
他要造一只超级军队
于是他就把这个人的基因进行了改良 对吧
那么如果基因编辑技术被滥用的话
是不是也会出现这样的情景
有一个类似于九头蛇的人把他的军队进行了改良
把他的军队和狼狗结合
这个军队首先智商比较低又特别听话
而且身体特别强壮 那这样对全世界来讲其实都是一个灾
所以在这些问题没有讨论清楚之前
我们不应该贸然的使用这种方法
对人类尤其是人类的胚胎细胞进行编辑
因为这样将会不可逆的改变人类的基因库
那现在这个贺建奎这个人他没有跟别人商量
就直接把这个胚胎改了 改了之后还生出来这个孩子了
造成了一种不可逆的结果
那么这件事是非常非常不负责任的
其实关于基因编辑还有很多问题可以讲
比如说糖尿病人用的胰岛素是怎么做出来的
克隆人到底是怎么回事
那这些问题我们在后面再给大家慢慢介绍
