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基因编辑能给养猪业带来什么?

日期:2024/12/7 16:12:05


01/什么是基因编辑?

基因编辑允许对生物体的基因组进行精确的改变。这包括通过精确地从DNA序列中添加、改变或去除核苷酸来进行修改。在现有的技术中,CRISPR-Cas9技术因其高效、准确、使用相对简单而受到广泛欢迎。

02/CRISPR-Cas9是如何工作的?

使用向导RNA,这是一个由20个核苷酸组成的小序列,与要修饰的DNA部分相匹配。
该指南将Cas9酶引导到两条DNA链应该被切割的确切位置(图1)。
在分裂后,生物体试图通过一种称为非同源末端连接(NHEJ)的过程来修复DNA。在这个修复过程中,一些碱基对可能在切割位点增加或丢失。
DNA的这些变化可以改变基因的阅读框,导致基因产生的蛋白质的氨基酸序列发生变化。结果,蛋白质可能会有缺陷或失去功能(图2)。


图1. 利用CRISPR-Cas9系统进行基因编辑。引导RNA (sgRNA)识别一个特定的基因组区域,其目标是DNA内切酶Cas9,这种酶在精确的位置切割两条DNA链。

图2. 一个核苷酸插入的例子,涉及到阅读框的改变,导致与正常情况不同的氨基酸形成,最后一个终止密码子阻止了该蛋白质更多氨基酸的形成。

03/基因敲除动物:当DNA的变化使蛋白质失效时

当某一特定基因的基因改变使某一蛋白质的功能失效时,该动物被认为是基因敲除(KO)。这些变化类似于可以通过自发过程自然发生的突变,但在这种情况下,它们是以受控和指导的方式进行的。因此,不可能区分动物体内的突变是自然发生的还是实验室诱导的。
基因敲除动物的一个例子是抗PRRS病毒的动物。为了使PRRSV感染猪,它需要与猪肺泡巨噬细胞中的特定受体结合。该受体由CD163基因的SRCR5结构域编码。如果这种受体通过基因编辑被修改或删除,病毒就不能再与细胞结合,从而防止感染,并使猪完全抵抗PRRSV。这种基因抗性可以遗传给后代,确保后代对PRRS具有抗性。

04/敲入动物:引入新的DNA链和新的基因

基因编辑的另一种选择是利用DNA被Cas9切割时引入新的DNA链。这样,细胞就可以通过一种称为同源定向修复(HDR)的过程来整合这种新的遗传物质(图1)。这允许有缺陷的DNA序列被功能性的DNA序列所取代,纠正基因使其再次发挥功能,或改变阅读框以创建一个基因已失活的基因敲除动物。此外,这项技术还可以将以前没有的新基因插入到生物体的基因组中,称为敲入(KI)或转基因。

转基因猪的一个例子是那些被插入UPC1基因的猪,这种基因在这个物种中并不天然存在。这种基因使它们能够更好地调节体温,从而使它们更好地适应低温。因此,猪积累较少的皮下脂肪来维持体温,这增加了瘦肉组织的百分比(图3)。

图3. 对6个月大的猪在低温暴露0、2和4小时时拍摄红外图像。20公斤仔猪背膘厚度

05/碱基编辑器:基因编辑的精确工具

基因编辑中最近的一种替代方法是使用碱基编辑器,这是一种特殊的酶,它不是切割DNA,而是在基因组的特定位置精确地交换碱基对。这个过程使得在不造成断裂的情况下对DNA进行有针对性的改变成为可能。
这种类型的替代可以产生几种效果。在某些情况下,这种变化引入了一个终止密码子,它会过早地停止蛋白质的产生,使其不完整,甚至可能失去功能。在其他情况下,这种变化会改变蛋白质中的氨基酸(称为错义突变),从而改变其结构并影响其功能。在这两种情况下,这些改变都会损害蛋白质的功能。

图4. 使用碱基编辑器在基因组中产生点突变

所有基因编辑过的猪都一样吗?规范性法规vs.技术发展

对不同类型的基因编辑有技术上的了解是很重要的,因为适用或应该适用的法规在每种情况下都是不同的。目前,世界上大多数立法都严格限制转基因动物的使用及其产品的商业化。然而,在区分基因编辑动物和转基因动物方面正在取得进展,这可能导致不同的监管。从技术上讲,这两种类型的基因修饰是完全不同的。

欧盟关于基因编辑植物产品的法规,即新基因组技术(NGT),已经在审查中。这可能使这些植物免于监管转基因生物(转基因生物)的法律。然而,迄今为止,基因编辑动物仍然受制于转基因生物立法,这限制了它们的发展和未来的商业化。














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