基因编辑技术的出现颠覆了传统的 基因组操作技术，在生物学研究和个体 化药物治疗研究中掀起了一场新的革命 。
在未来的发展中，基因编辑技术将 成为生命科学和生物医学等领域研究与 应用的重要工具。
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参考文献
[1] 张金脉，任兆瑞．一种新的基因定点修饰技术[J]．生命科学，2013， 25（1）:44-46. [2] Heyer WD, Ehmsen KT, Liu J. Regulation of homologousrecombination in eukaryotes[J]. Annu Rev Genet,2014, 44:113-139. [3] Carroll D. Genome engineering with zinc-finger nucleases [J].Genetics, 2011, 188: 773-782 [4] 毛 超，陶永光.基因组编辑技术研究新进展[J].生命的科学,2015,35（1） 96-104. [5] 杨发誉，葛香连，谷峰.新型靶向基因组编辑技术研究进展[J].中国生物 工程杂志.2014,34（2）：98-110.
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必要性
1. 研究背
随着基因组测序技术的发展，基因组编
景
辑技术成为将数据转化为基因功能和应
用信息的最主要手段之一。
可行性
高特异性及更具操作性的人工核酸酶的 出现和技术体系的完善，使定点基因敲 除、敲入变得简单且高效。
优势
与传统基因打靶技术相比，应用广、构 建时间短、成本低。
4
1. 技术原
理 借助特异性 DNA 双链断裂( DNA double-strand
• 脊髓性肌萎缩病模型：Sma基因
• 帕金森病(PD)的模型：Nurrl基因
4.3 疾病的基因治疗
• 艾滋病治疗
ZFNs技术 CCR5基因
• 帕金森病治疗
ZFNs技术 iPS细胞的SNCA基因
• 着色性干皮病治疗
TALENs技术 XPC突变基因
5. 展望
目前，基因编辑技术的研发还处 于起步阶段，存在的主要问题有：构建 复杂、价格昂贵、脱靶效应等。
TALENs技 术
CRISPR/Cas技术
• Science杂志评为2013年十大科学突破之一。 • CRISPR/Cas系统：由RNA介导的，是细菌为抵抗外源
DNA片段入侵的免疫系统。 • 由Cas基因家族与CRISPR序列元件组成。CRISPR通常由
一个前导区(Leader)、重复序列区(Repeat) 和间隔区 (Spacer)所组成。
3 RNA 引导的 CRISPR/ Cas 核酸酶技术 (CRISPR/ Cas RGNs)。
ZFNs技术
ZFNs核酸酶 = 锌指结构 + FokⅠ酶
• 锌指结构是由多个Cys和His残基通过Zn2+螯合而成的蛋 白质结构，能够与相应的DNA序列发生特异性的结合。
• FokⅠ酶：特异性地识别DNA分子上的靶位点并在下游进 行切割。形成二聚体时才具酶切活性。
breaks DSBs) 激活细胞天然的修复机制，包括非同源末端 连接( NHEJ)和同源重组修复(HR) 两条途径。
2. 三种基因编辑技
术
1 人工核酸酶介导的锌指核酸酶技术
(zinc- finger nucleases，ZFNs)
2 转录激活因子样效应物核酸酶技术
(transcription activator- like effector nucleases，TALENs)
基因组编辑技术新进展
Current Progress of Genome Editing Techniques
1
目录
2
基因组编辑技术
针对目的基因组进行定点改造
达到对未知功能基因进行研究和基因治 疗的目的。
利用该技术，可以精确地定位到基 因组的某一位点上，剪断靶标 DNA 片 段并插入新的基因片段，真正达成了 “编辑基因” 。
靶向序列 靶向元件 脱靶难度 切割元件 断链特点 构建难度 技术难度
优势 细胞毒性 实际案例
ZFNs
Pr-DNA (3-6)x3x2bp 3bp为一单位
>18bp ZF array蛋白
“+ + +” FokⅠ酶
“+ + +” “+ + +” 单位点编辑 “+ + +” 大鼠、拟芥南
TALENs
CRISPR/Cas
TALE蛋白
术
蛋白质的N端一般含有转运信号，C端含有转录激活结构域
(AD)和核定位信号(NLS)。
中心重复区由12~30个重复单元组成，每个单元除12和13 位重复可变双氨基酸残基(RVD)序列外，其他序列完全相同。
RVD序列决定了TALE蛋白的识别特异性：
HD(His-Asp)识别C NG(Asn-Gly)识别T NI(Asn-Ile)识别A NN(Asn-Asn)识别G或A
相结合并且特异性切割基因组DNA，形成双链 断裂结构(DSB)。
22. 利用非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)系
统来对形成双链断裂结构进行修复，从而实现 对目的基因组的编辑。
3. 特点比较
类别 识别特点
靶向特点 断裂特点 操作难度 其他特点
表1 不同基因组编辑技术比较
分类
识别序列模式 识别序列长度 识别序列特点
POINT
基因功能 的研究
02
POINT
疾病动 物模型 的建立
03
POINT
疾病的基 因治疗
17
4.1 基因功能的研究
表2 不同模式生物中基因组编辑技术的应用
4.2 疾病动物模型的建 立
• 粥样硬化病模型：ApoE和LdlR基因
• 糖尿病模型：（1）ZFNs技术；PPARγ基因
（2）G6pc基因
2个ZFNs分子同时与DNA结合
ZFNs技术
结合位点的间隔区进行切割
启动NHEJ或HR修复机制
形成DNA双链断裂区
TALENs技
• 2012年Science选为年度十大科学突破之一
术
• TALENs核酸酶=TALE蛋白+FokⅠ酶 • TALE蛋白是由N端序列、中心重复区和C端序列组成。
TALENs技
Pr-DNA
RNA-DNA
(12-20)x2bp39;端是NGG
>30bp
23bp
TALE array蛋白
sg RNA 核糖核苷酸
“+ +”
“+”
FokⅠ酶
Cas9蛋白
双链断链：单链缺刻
“+ +”
“+”
“+ +”
“+”
单位点编辑
多位点编辑
“+”
“+”
小鼠、果蝇
小鼠、线虫
4. 应用
01
CRISPR系统分型
• Ⅰ型CRISPR/Cas系统
Cas3蛋白为核心
• Ⅱ型CRISPR/Cas系统
Cas9蛋白为核心 crRNA、反式激活crRNA(tracrRNA) 及RNase III
• Ⅲ型CRISPR/Cas系统
Cas6蛋白为核心
CRISPR/Cas技术原 理
小结
两大关键步骤
11. 利用构建好的人工内切核酸酶与目的DNA片段