《基因生物化学》课件

基因编辑生物化学从基础到前沿基因编辑技术是近年来生物技术领域最具颠覆性的技术之一，它为人类了解生命奥秘、治疗疾病、改造生物提供了前所未有的强大工具本课程将带领大家深入学习基因编辑的生物化学基础、工具及应用，从分子机制到实际操作，为深入理解基因编辑技术打下坚实基础课程概述与学习目标课程目标学习目标本课程旨在帮助学生掌握基因编辑的理论基础、技术原理深入了解基因编辑的分子机制•、操作流程以及应用领域，培养学生独立开展基因编辑实掌握不同基因编辑工具的原理及操作•验的能力，并能够理解基因编辑技术的伦理问题和未来发掌握基因编辑实验设计及效率评估方法•展趋势了解基因编辑在医学、农业、工业等领域的应用•思考基因编辑技术的伦理问题和未来发展方向•基因编辑的历史发展1970s1限制性内切酶的发现，为基因编辑奠定了基础1980s2重组技术兴起，基因编辑技术开始起步DNA1990s3锌指核酸酶（）技术问世，开启了基因编辑的新时代ZFNs2000s4技术发展，基因编辑工具更加精确高效TALENs2010s5系统横空出世，基因编辑进入快速发展阶段CRISPR-Cas92020s6新型基因编辑工具不断涌现，基因编辑技术应用领域不断扩展双螺旋结构与基因组DNA结构基因组DNA是由脱氧核糖核酸组成的双螺旋结构，其中包含遗传基因组是指一个生物体完整的遗传物质，包含全部的DNA DNA信息，并通过碱基对（、）的配对方式进行复制和序列，是生命活动的蓝图基因编辑技术可以对基因组进A-T C-G传递行精准的修改，实现对生物性状的改变基因表达的基本原理转录序列被转录成，这是基因表达的第一步DNA mRNA翻译被翻译成蛋白质，这是基因表达的第二步，也是mRNA最终执行遗传信息的步骤中心法则到到蛋白质DNA RNA蛋白质1执行生物功能的分子机器RNA2中间传递遗传信息的分子DNA3储存遗传信息的分子基因编辑的分子基础识别切割基因编辑工具需要精确识别基因编辑工具需要切割目标目标序列序列，产生双链断裂DNA DNA修复细胞利用修复机制修复双链断裂，实现基因的修改DNA修复机制概述DNA同源重组修复（非同源末端连接（12Non-，Homologous homologousend joining，）recombination repairNHEJ）HRR微同源介导末端连接（，3Microhomology-mediated endjoining）MMEJ同源重组修复同源重组修复利用同源染色体或姐妹染色单体上的序列作为模板，精确修复双链断裂这种修复方式具有高度的精确性，可以确保断DNA裂部位的序列完整无误非同源末端连接非同源末端连接是一种快速、粗糙的修复方式，不需要同源模板，而是直接将断裂的末端连接起来这种修复方式可能会导致序列丢DNA失或插入，从而造成基因突变基因编辑工具的演变限制性内切酶1早期的基因编辑工具，只能识别特定的序列进行切割DNA锌指核酸酶2可以识别更长的序列，并进行精准的切割ZFNs DNATALENs3具有更高的识别效率和灵活度，可以靶向更广泛的基因序列TALENs系统CRISPR-Cas94系统操作简单、成本低廉，成为目前应用最广泛的基因CRISPR-Cas9编辑工具限制性内切酶的发现限制性内切酶是细菌用来抵御外来入侵的酶，它们可以识别特定DNA的序列并将其切割限制性内切酶的发现，为基因编辑技术的诞DNA生奠定了基础，因为它们可以用来切割基因组中的特定片段锌指核酸酶（）原理ZFNs锌指核酸酶（）是一种人工设计的蛋白，它由两个部分组成锌ZFNs指结构域和核酸酶结构域锌指结构域可以识别特定的序列，而DNA核酸酶结构域可以切割双链可以靶向特定的基因序列，并DNA ZFNs将其切割，从而实现基因编辑的结构特征ZFNs的锌指结构域是由多个锌指模块组成的，每个模块可以识别个碱ZFNs3基通过组合不同的锌指模块，可以设计识别任何序列的DNA ZFNs核酸酶结构域通常来自核酸酶，它可以切割双链FokI DNA的应用实例ZFNs已被用于治疗遗传疾病，例如镰刀型细胞贫血和杜氏肌营养不良ZFNs症也可以用来生成基因敲除动物模型，用于研究基因功能ZFNs技术简介TALENs是另一种人工设计的基因编辑工具，它也是由两个部分组成效应蛋白结构域和核酸酶结构域效应蛋白可TALENs TALTAL以识别单个碱基，通过组合不同的效应蛋白模块，可以设计识别任何序列的TAL DNATALENs的分子机制TALENs的效应蛋白结构域由多个重复单元组成，每个单元可以识别TALENs TAL单个碱基每个重复单元的第和位氨基酸决定了它识别的碱基核1213酸酶结构域通常来自核酸酶，它可以切割双链FokI DNA的优势与局限TALENs优势局限识别效率高设计和构建比较复杂••TALENs灵活度高成本较高••可以靶向更广泛的基因序列•系统概述CRISPR-Cas9系统是目前应用最广泛的基因编辑工具，它是一种细菌免CRISPR-Cas9疫系统，可以用来识别和切割外来系统由蛋白DNA CRISPR-Cas9Cas9和组成，蛋白可以切割双链，可以引导蛋白sgRNA Cas9DNA sgRNA Cas9靶向特定的序列DNA的自然起源CRISPR系统是细菌和古菌用来抵御病毒和质粒入侵的免疫系统当CRISPR-Cas细菌被病毒感染时，它会将病毒的片段整合到自己的基因组中，DNA形成序列当细菌再次遇到相同的病毒时，它会利用序CRISPR CRISPR列指导蛋白切割病毒，从而阻止病毒的入侵Cas DNA蛋白的结构与功能Cas9蛋白是一种核酸酶，它具有两个核酸酶结构域结构域和Cas9HNH结构域结构域可以切割的非靶链，而结构域可以RuvC HNHDNA RuvC切割的靶链蛋白需要与结合，才能识别和切割目标DNA Cas9sgRNA序列DNA的设计原理sgRNA是一种短链，它由两个部分组成靶向序列和序列sgRNA RNAtracrRNA靶向序列与目标序列互补配对，引导蛋白靶向特定的DNA Cas9DNA序列序列可以与蛋白结合，形成复合物tracrRNA Cas9序列的重要性PAM序列是蛋白识别目标序列的关键，它是一个位于目标PAM Cas9DNA DNA序列的端的小片段序列蛋白只有在识别到序列的情况下，3Cas9PAM才能切割目标序列DNA识别与切割机制DNA系统的工作原理是，首先与目标序列互补配对CRISPR-Cas9sgRNA DNA，然后引导蛋白到目标序列蛋白识别到序列后，Cas9DNA Cas9PAM就会切割目标序列，产生双链断裂DNA基因编辑的精确性控制系统可以实现高度精确的基因编辑，但仍然存在脱靶效应CRISPR-Cas9，即蛋白切割了非目标序列为了提高基因编辑的精确性，Cas9DNA研究人员开发了一系列优化策略，例如改进的设计、优化蛋sgRNA Cas9白的活性等脱靶效应及其评估脱靶效应是指基因编辑工具切割了非目标序列，这可能会导致意DNA想不到的基因突变脱靶效应的评估方法包括测序分析、基因芯片分析等，研究人员可以利用这些方法来检测脱靶效应，并优化基因编辑工具，降低脱靶效应的发生率优化策略CRISPR优化设计改进蛋白活性开发新型基因编辑工具sgRNACas9123选择最佳的序列，可以有通过基因改造或蛋白工程，可例如技术和sgRNA Base Editor Prime效降低脱靶效应以提高蛋白的切割效率和技术，可以实现更精确的Cas9Editor特异性基因编辑技术Base Editor技术是一种可以对碱基进行精确编辑的技术，它不需要BaseEditorDNA切割双链，而是利用融合蛋白直接将目标碱基进行替换DNA Base技术可以实现对单个碱基的精确编辑，并可以减少脱靶效应Editor技术Prime Editor技术是一种可以进行更复杂基因编辑的技术，它可以实现Prime Editor对序列的插入、删除和替换技术利用融合蛋白，将DNA PrimeEditor目标序列进行修改，并利用细胞的修复机制将其整合到基因组中DNA筛选文库CRISPR筛选文库是一种利用系统进行大规模基因筛选的技术它可以用来识别与特定性状或疾病相关的基因，CRISPR CRISPR-Cas9并可以用来筛选药物靶点筛选文库是近年来基因编辑领域的一项重要进展，它为研究基因功能提供了新的工具CRISPR基因敲除技术详解基因敲除技术是指将基因组中的特定基因删除，从而研究该基因的功能基因敲除技术通常利用基因编辑工具将目标基因序列切割，然后利用细胞的修复机制将其删除基因敲除技术是研究基因功能的重要手段，它可以用来研究基因在生物体中的作用，并可以用来开发新的疾病治疗方法基因敲入方法学基因敲入技术是指将特定的序列插入到基因组中的特定位置，从DNA而改变基因的功能或表达基因敲入技术通常利用基因编辑工具将目标基因序列切割，然后利用细胞的修复机制将新的序列插入到断DNA裂部位基因敲入技术可以用来研究基因功能，并可以用来开发新的疾病治疗方法条件性基因编辑条件性基因编辑是指在特定条件下才进行基因编辑，例如在特定组织或细胞中，或者在特定时间点进行基因编辑条件性基因编辑可以用来研究基因在特定条件下的功能，并可以用来开发更精确的疾病治疗方法多基因同时编辑多基因同时编辑是指同时编辑多个基因，从而研究多个基因之间的相互作用，并可以用来开发更有效的疾病治疗方法多基因同时编辑技术可以利用系统或其他基因编辑工具，同时靶向多个基因CRISPR-Cas9序列进行编辑表观遗传修饰编辑表观遗传修饰是指不改变序列，而是通过修饰或组蛋白，改DNA DNA变基因的表达表观遗传修饰编辑技术可以利用基因编辑工具，对表观遗传修饰进行编辑，从而改变基因的表达表观遗传修饰编辑技术可以用来研究表观遗传修饰在生物体中的作用，并可以用来开发新的疾病治疗方法基因编辑效率评估基因编辑效率是指基因编辑工具成功编辑目标基因的比例基因编辑效率的评估方法包括测序分析、基因芯片分析等，研究人员可以利用这些方法来评估基因编辑工具的效率，并优化基因编辑工具，提高其效率基因编辑验证方法基因编辑验证是指确认基因编辑工具是否成功编辑了目标基因，并验证了编辑结果是否符合预期基因编辑验证的方法包括测序分析、基因芯片分析、蛋白质表达分析等，研究人员可以利用这些方法来验证基因编辑的结果，并确保编辑结果的可靠性测序技术在基因编辑中的应用测序技术是基因编辑研究中常用的技术，它可以用来确定基因组的序列，并可以用来检测基因编辑工具是否成功编辑了目标基因测序技术包括测序、二代测序、三代测序等，不同的测序技术具有不Sanger同的特点和应用范围检测方法PCR检测方法是一种常用的分子生物学技术，它可以用来扩增特定的PCR片段，并可以用来检测基因编辑工具是否成功编辑了目标基因DNA检测方法操作简单、成本低廉，是基因编辑研究中常用的验证方法PCR验证Western Blot验证是一种用来检测蛋白质表达的实验方法，它可以用来Western Blot验证基因编辑工具是否成功编辑了目标基因，并改变了蛋白质的表达水平验证是基因编辑研究中常用的功能验证方法，它可Western Blot以用来确认基因编辑结果是否影响了蛋白质的功能功能学验证方案功能学验证是指研究基因编辑结果是否影响了生物体的功能功能学验证方案可以根据不同的研究目的进行设计，例如，可以利用细胞培养实验、动物实验等方法来验证基因编辑结果是否影响了细胞的功能、生物体的生长发育等基因编辑在模式生物中的应用模式生物是指在生物学研究中常用的生物，例如细菌、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠等基因编辑技术可以用来研究模式生物的基因功能，并可以用来开发新的疾病治疗方法细菌基因组编辑细菌基因组编辑技术可以用来研究细菌的基因功能，并可以用来开发新的抗生素和生物合成方法细菌基因组编辑技术通常利用系统或其他基因编辑工具，对细菌基因组进行编辑CRISPR-Cas9酵母基因组编辑酵母基因组编辑技术可以用来研究酵母的基因功能，并可以用来开发新的生物燃料和生物医药产品酵母基因组编辑技术通常利用CRISPR-系统或其他基因编辑工具，对酵母基因组进行编辑Cas9哺乳动物细胞基因编辑哺乳动物细胞基因编辑技术可以用来研究哺乳动物的基因功能，并可以用来开发新的疾病治疗方法哺乳动物细胞基因编辑技术通常利用系统或其他基因编辑工具，对哺乳动物细胞基因组进行编辑CRISPR-Cas9转基因动物模型构建转基因动物模型是指利用基因编辑技术，将外源基因插入到动物基因组中，从而构建的具有特定基因型的动物模型转基因动物模型可以用来研究基因的功能，并可以用来开发新的疾病治疗方法植物基因组编辑植物基因组编辑技术可以用来研究植物的基因功能，并可以用来开发新的作物品种植物基因组编辑技术通常利用系统或其他CRISPR-Cas9基因编辑工具，对植物基因组进行编辑医学应用前景基因编辑技术在医学领域拥有广阔的应用前景，可以用于治疗遗传疾病、肿瘤疾病、感染性疾病等基因编辑技术还可以用来开发新的药物和疫苗，以及进行精准医疗遗传病治疗策略基因编辑技术可以用来治疗遗传疾病，例如囊肿性纤维化、杜氏肌营养不良症、血友病等基因编辑技术可以用来纠正致病基因的突变，从而恢复基因的功能，并可以用来治疗遗传疾病肿瘤基因治疗基因编辑技术可以用来治疗肿瘤疾病，例如通过基因编辑技术，可以增强免疫细胞的抗肿瘤能力，或者通过编辑肿瘤细胞的基因，使其对化疗药物更加敏感免疫细胞工程基因编辑技术可以用来改造免疫细胞，例如通过编辑细胞的基因，使T其能够识别和杀死肿瘤细胞，从而用于治疗癌症基因编辑技术还可以用来开发新的免疫治疗方法，例如细胞治疗CAR-T生物技术应用基因编辑技术在生物技术领域也拥有广泛的应用，例如可以用来开发新的生物燃料、生物医药产品、生物材料等，以及进行生物制造农业育种改良基因编辑技术可以用来改良作物性状，例如可以提高作物的产量、抗病性、抗虫性、耐旱性等，从而提高农业生产效率，并可以减少农药和化肥的使用，促进农业的可持续发展工业菌株改造基因编辑技术可以用来改造工业菌株，例如可以提高工业菌株的产酶效率、抗逆性、生产效率等，从而提高工业生产效率，并可以开发新的生物产品生物制药工程基因编辑技术可以用来开发新的生物制药产品，例如可以用来生产新的药物、疫苗、抗体等，以及进行生物药物的改造和优化，从而提高药物的疗效和安全性伦理问题探讨基因编辑技术是一项具有巨大潜力的技术，但也引发了一些伦理问题，例如基因编辑技术的应用可能会造成生物安全风险、伦理风险等因此，在应用基因编辑技术时，必须充分考虑伦理问题，并制定相应的规范和标准，确保基因编辑技术的安全性和伦理性安全性评估基因编辑技术的安全性评估是确保基因编辑技术安全应用的重要环节安全性评估需要进行一系列的实验，例如动物实验、临床试验等，并需要对编辑结果进行长期跟踪和监测，确保编辑结果不会对生物体造成负面影响监管框架为了确保基因编辑技术的安全性和伦理性，各国政府都制定了相应的监管框架，例如对于基因编辑技术的应用范围、安全性评估标准、伦理审查流程等都有明确的规定基因编辑技术的监管框架正在不断完善，以确保基因编辑技术的安全和负责任的应用未来发展方向基因编辑技术正处于快速发展阶段，未来将继续朝着更加精确、高效、安全的方向发展例如，开发新型基因编辑工具、提高基因编辑的精确性、降低脱靶效应、完善基因编辑技术的监管框架等，都将是未来研究的重点新型编辑工具开发基因编辑技术的不断发展，推动了新型编辑工具的开发例如，可以利用人工智能技术，设计更精确、更有效的基因编辑工具，可以开发可以编辑的基因编辑工具，可以开发可以对表观遗传修饰进行编辑的基因编辑工具等新型基因编辑RNA工具的开发将进一步扩展基因编辑技术的应用范围，并为人类健康和社会发展带来更多益处。