一、前言

每一個生命個體都是由無數精妙的生物分子共同組成的。而其中的DNA就像是生命的藍圖，DNA中的每一段特定序列，即我們所稱的基因，各自承擔著特定的生物學功能。它們共同調控著生物體的生長、發(fā)育、繁殖等一系列復雜的生命過程。然而，并非所有基因都是十全十美的，有時候，基因中的一點小小改變，就可能導致疾病的發(fā)生。但如果我們能夠像編輯文字一樣編輯這些基因，那我們就有可能修復這些錯誤，治療疾病，甚至創(chuàng)造出新的生命形式。這個想法并非遙不可及。在21世紀的今天，一種名為"基因編輯"的技術正在逐漸實現這個夢想，它正在深刻地改變我們對生命的理解和認知。

自1970年以來，基因工程已經成為一種在生物體中引入新遺傳成分的主要手段。但這項技術有一個顯著缺點：DNA的插入是隨機的，不能精確地將基因定位到生物基因組內的特定位點。這種隨機性可能會損害或改變宿主基因組中的其他基因。

為了解決這個問題，科學家們開始研發(fā)一些列的基因編輯技術。這些技術不僅能在基因組中插入新的基因，還能精確地將這些基因定位到特定的位置，避免對其他基因的無意干擾。基因編輯技術的出現，使得我們能夠從“粗糙"的基因操作，轉變?yōu)椤熬?的基因操作。這一系列突破性的研究不僅提高了基因操作的準確性，也為我們解決遺傳疾病和開發(fā)新的生物技術提供了更多可能性。

二、基因編輯的原理

基因編輯的原理通常涉及到一種被稱為"分子剪刀"（如CRISPR-Cas9，ZFNs或TALENs等）的工具，它可以在DNA鏈的特定位置將其切斷。這個位置是由一段引導RNA（gRNA）確定的，它能夠與目標DNA序列精確配對。一旦DNA被切斷，細胞的自我修復機制就會啟動，試圖修復這個斷裂。

當DNA雙鏈斷裂（DSBs）發(fā)生時，細胞會啟動一系列復雜的自我修復機制，試圖修復這個斷裂。這個位置是由一段引導RNA（gRNA）確定的，它能夠與目標DNA序列精確配對。一旦DNA被切斷，細胞的自我修復機制就會啟動，試圖修復這個斷裂。

當DNA雙鏈斷裂（DSBs）發(fā)生時，細胞會啟動一系列復雜的自我修復機制，試圖修復這個斷裂。這些機制包括同源重組修復（HR）、非同源末端連接（NHEJ）、選擇性末端連接（a-EJ）和單鏈退火修復（SSA）。

• 同源重組修復（HR）：同源重組修復（HR）是一種精確的DNA修復機制，但它需要一個同源的DNA模板來指導修復過程。同源模板通常來自于同源染色體或者姐妹染色單體。在基因編輯中，我們可以為人提供一個包含我們希望插入或替換的DNA序列的同源模板。通過精確控制模板的序列，我們就可以實現精確的基因編輯。但需要注意的是，HR機制主要發(fā)生在細胞的S期和G2期，因為這兩個階段細胞具有可供參考的姐妹染色單體。因此，在使用HR機制進行基因編輯時，我們通常需要考慮到細胞周期的影響。

• 非同源末端連接（NHEJ）：非同源末端連接（NHEJ）可以將斷裂的兩個DNA末端直接連接起來，而不需要同源性模板。這種機制的優(yōu)點是可以在任何階段的細胞周期中進行，而不受細胞分裂階段的限制。NHEJ的缺點是它不是一個精確的修復機制。在末端連接的過程中，可能會丟失或插入一些核苷酸，導致基因序列的改變。這種改變可能會導致基因的功能喪失或改變，所以NHEJ常常在無法提供同源模板的情況下被用于實現基因的突變和敲除。

• 選擇性末端連接（a-EJ）和單鏈退火修復（SSA）：這是兩種輔助性的DNA修復機制，它們在特定的條件下被激活。a-EJ是一種不依賴于DNA-PKcs的末端連接機制，通常在非同源末端連接（NHEJ）不能正常工作時被激活。單鏈退火修復（SSA）則是一種依賴于大量的末端單鏈切除的修復機制。在SSA過程中，兩個斷裂的DNA末端會被切除成單鏈，然后這兩個單鏈會尋找并退火到相同的序列，最后通過切除和連接的方式修復斷裂。這兩種修復機制都需要對斷裂的DNA末端進行大量的切除，以形成單鏈DNA，這可能會導致一些遺傳信息的丟失。因此，它們都不是精確的修復機制。但在基因編輯中，我們可以巧妙地利用這些機制來實現特定基因的突變和敲除。

  
  

而在DNA的自我修復過程中，科學家可以利用一種被稱為"修復模板"的DNA片段來引導修復過程。這個修復模板包含了科學家想要插入、刪除或更改的DNA序列。當細胞的修復機制被激活時，它就會使用這個修復模板來修復DNA斷裂。

三、鋅指核酸酶技術（ZFN）

鋅指核酸酶（ZFN）技術的發(fā)展始于20世紀80年代。當時的科學家在非洲爪蟾的調節(jié)因子中發(fā)現了鋅指蛋白（zinc finger protein，ZFP）。這種蛋白能夠識別并結合到特定的DNA序列。后來，科學家發(fā)現通過改造這些蛋白可以將其與FokI酶結合，產生成為一個能夠在特定DNA序列處切割DNA的工具，前者負責識別，后者負責切割DNA。這就是鋅指核酸酶。

1、ZFN技術的原理

ZFN由兩部分組成：鋅指蛋白（ZFP）和FokI內切酶。ZFP是一種DNA結合蛋白，它可以識別并結合到特定的DNA序列。FokI內切酶是一種核酸酶，它可以切割DNA。這兩部分結合在一起，形成了一種可以在特定位置切割DNA的工具。

• 鋅指蛋白（ZFP）：鋅指蛋白由一個或多個鋅指模塊組成，每個模塊可以識別并結合到DNA序列上的3個堿基。通過改變鋅指模塊的數量和類型，可以改變ZFN的識別特異性。例如，如果一個ZFN包含6個鋅指模塊，那么它可以識別18個堿基的DNA序列。這就使得ZFN能夠非常精確地定位到基因組中的特定位置。
• FokI內切酶：FokI內切酶是ZFN的切割部分。它是一種核酸酶，可以在DNA雙鏈上產生切口。然而，FokI內切酶只有在形成二聚體的情況下才能工作。這也就意味著需要兩個ZFN分子在相鄰的DNA序列上結合，才能形成一個有效的FokI內切酶二聚體，從而切割DNA。

• DNA切割和修復：當ZFN在特定的DNA序列上產生切口后，細胞的DNA修復機制就會啟動。這通常會通過兩種途徑進行：非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）。NHEJ是一種錯誤修復機制，它會在DNA切口處隨機添加或刪除堿基，從而導致基因突變。HR則是一種精確的修復機制，它需要一個與切口處的DNA序列相匹配的模板，接著按照這個模板精確地修復切口。通過提供一個含有所需變更的DNA模板，科學家們就可以利用HR機制來進行精確的基因編輯。

2、ZFN技術的應用

自2001年以來，ZFN已經被廣泛應用于各種生物物種的基因編輯。這包括細菌、酵母、植物、昆蟲、哺乳動物，甚至包括人類細胞。ZFN技術的一個主要應用是基因敲除，這是通過切割目標基因的DNA序列，然后讓細胞的DNA修復機制產生錯誤，從而使基因失去功能。ZFN也可以用于基因插入，這是通過在目標DNA序列上創(chuàng)建一個切口，然后插入一個新的DNA片段。此外，ZFN還可以用于基因修復，這是通過切割錯誤的基因序列，然后引導細胞的DNA修復機制使用一個正確的模板來修復錯誤。

3、ZFN技術的優(yōu)點和挑戰(zhàn)

ZFN的主要優(yōu)點是其高度的特異性和靈活性。它可以設計成識別并切割幾乎任何DNA序列。然而，設計和構建ZFN是一個復雜的過程，需要大量的時間和資源。ZFN也有可能在非目標位置切割DNA，這可能導致不期望的突變。盡管有這些挑戰(zhàn)，ZFN仍然是一種強大的基因編輯工具，已經在許多研究和臨床試驗中顯示出巨大的潛力。

以上就是本期的內容，更多資訊，歡迎點擊安培生物網站鏈接了解更多技術與產品資訊。

安培生物致力成為推動生命科學進步值得信賴的合作者

深圳/湛江安培生物科技有限公司,是一家具有核心的技術實力、先進的經營管理水平和完善的市場銷售體系的生物高科技企業(yè)?？偛吭O在廣東，服務面向全國。安培生物集進口試劑、實驗室耗材銷售、技術服務與合約開發(fā)為一體的專業(yè)化高科技公司，旨在為生命科學的發(fā)展提供較好的產品與服務。本公司建立了涵蓋分子生物學、細胞生物學、免疫學、信號傳導和神經科學等領域的產品供應線，在各個領域內向用戶提供較高的水平和質量穩(wěn)定的產品，安培生物致力于為廣大的科研機構、高等院校等客戶提供各種產品、技術支持與服務。

可以在第一時間為用戶提供比較先進的專業(yè)資訊和完備的產品和物流服務。 專業(yè)的技術力量使得我們能夠為廣大用戶提供強大的技術支持，深厚的人脈資源使得我們在全國主要城市擁有眾多的合作伙伴，安培生物非常榮幸能將世界上先進的高科技產品推薦給國內從事生物學領域科研的老師和同仁。作為專業(yè)性的產品供應商，公司出資存?zhèn)淞舜罅楷F貨，配合優(yōu)秀的銷售隊伍以及專業(yè)的技術支持，隨時為客戶提供服務。