科技前沿
基因编辑技术在水产生物中的研究应用
基因编辑是指对基因组进行定点修饰的一项基因工程技术,其通过对目标基因进行删除、替换、插入等操作,以获得新的功能或表型。基因编辑技术已应用于生命科学多个领域,在动物疾病模型研究、植物遗传改良、遗传性疾病以及非遗传性疾病的治疗中显示出较高的应用价值,不断拓展对生物体遗传改造的深度和广度,为科学发展提供了新的研究与应用方案。目前水产生物基因编辑技术主要有转录水平中的转录后调控技术RNA干扰和核酸水平人工核酸酶技术。其中主要的人工核酸酶技术有锌指核酸酶技术,类转录激活因子效应物核酸酶技术和成簇规律性间隔的短回文序列重复技术。
一、RNA干扰(RNAi)技术
RNAi是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。RNAi作用机制分为起始阶段和效应阶段。起始阶段:外源或内源的dsRNA 进入细胞后, 被Dicer酶劈成21-23个碱基的小片段,效应阶段:siRNA和RNA 诱导沉默复合物相结合, 结合后的复合物具有核酸酶的作用,能识别并降解目标RNA。RNAi在水产生物中的应用目前主要是在方法构建、抗病毒机制、调节生长发育、基因表达调控和基因功能研究等方面。
二、人工核酸酶技术
使用RNAi 技术虽然可以在短时间导致靶基因表达量降低,用以研究靶基因的功能,但该技术无法获得稳定遗传突变体。因此这些研究基因功能技术受到各自技术瓶颈制约,使得水产生物基因的研究大都停留在基因克隆和表达分析等方面,基因功能方面研究进展缓慢,人工核酸酶技术的出现为高效、低成本、高稳定性突变体构建及实现基因功能研究带来巨大的技术突破,极大促进了水产生物基因功能研究。人工核酸酶是一类人工构建的能识别特定 DNA 序列并能在 DNA 分子上形成双链切割的核酸酶。其工作机制是受损的 DNA 通过两种修复机制,即同源重组和非同源末端连接进行修复。人工核酸酶技术目前形成 3 种代表性的技术,即锌指核酸酶技术(ZFNs)、类转录激活因子效应物核酸酶技术(TALEN)和 成簇规律性间隔的短回文序列重复(CRISPR/Cas9)技术。
锌指核酸酶又名锌指蛋白核酸酶,不是自然存在的,而是一种人工改造的核酸内切酶由一个 DNA 识别域和一个非特异性核酸内切酶构成,其中 DNA 识别域赋予特异性,在 DNA 特定位点结合,而非特异性核酸内切酶赋剪切功能,两者结合就可在DNA 特定位点进行定点断裂。锌指核酸酶在水产领域的应用主要是方法建立,基因功能分析。2011年王雯雯等在利用锌指蛋白酶构建了斑马鱼基因敲除的实验体系,锌指核酸酶技术研究开始在国内起步。但是由于锌指核酸酶由技术由于于操作难度、复杂性及价格原因未能得到大规模应用,随着第二代核酸酶技术的出现,其逐步被第二代核酸酶技术所取代。
TALEN 技术是属于第二代人工核酶技术,是二聚的转录因子/核酸酶,由33 至35个氨基酸模块构成,包含核定位信号的N端结构域、识别特定DNA序列的典型串联TALE重复序列的中央结构域和具有FokI核酸内切酶功能的C端结构域。其中每模块靶定特定核苷酸序列。通过组装这些模块,研究人员可靶定他们想要的任何序列。其特点是在同一蛋白(TALEN)上,实现有序实现引导细胞进入细胞核、靶位点DNA的特异性识别和靶位点DNA的切割三个不同功能。
CRISPR/Cas9是在细胞系中进行基因敲除的新方法,该方法利用改造自细菌的Ⅱ型 CRISPR系统,是继ZFNs和TALEN等技术后可用于定点构建基因敲除大、小鼠动物的第三种人工核酶技术,被称为第三代人工核酸酶。中国学者黄军首次利用CRISPR/Cas9开展人类胚胎基因编辑研究,引发学界对编辑技术的伦理思考。标志基因编辑技术实现了从模式生物到智能生物的全覆盖,也标志着基因功能研究全面进入基因编辑的新时代。CRISPR/Cas9 技术在水产生物中的应用主要是在编辑方法建立研究方面,以斑马鱼为研究对象开展了方法优化、细胞系验证、多种基因和多种方法的尝试均获得基因编辑的良好效果。同时CRISPR/Cas9 技术在玻璃海鞘、海胆、海葵、大西洋角螺、端足类动物、脊尾白虾、三角褐指藻、海七鳃鳗、大西洋鲑、青鳉[等十余种水产生物中均取得了成功,涵盖了尾索动物、棘皮动物、刺胞动物、贝类、鱼类、甲壳动物和藻类等 8 个生物类群。
三、基因编辑技术在水产生物领域应用的展望
水产生物技术起步较晚,目前缺乏成熟有效的基因编辑技术已成为制约开展基因功能研究的重要因素,基因组编辑技术的操作对象是基因组DNA,且主要是通过显微注射对细胞系或胚胎进行操作。而目前为止,水产生物细胞系较少,特别是甲壳类动物还未形成成熟的细胞系构建技术体系,且卵壳较硬易碎。显微注射技术及去核操作难度大,成功率低,成为制约水产生物基因编辑技术应用的主要瓶颈。水产生物基因编辑技术主要研究各类编辑方法在不同类型水产生物方法建立,基因结构变化检测,功能基因初步分析,完善的基因编辑方法与其他模式生物相比仍存在较大差异,还需在基因编辑技术专有设备,技术手段,编辑基因类型等方面根据水产生物胚胎特点不断发展和完善,同时利用人工智能技术手段逐步提高人工智能领域在显微注射及仪器实验精度的提高,减少对胚胎的影响,提高转基因成功率及胚胎孵化效率。
通过基因编辑技术有望实现更好的利用基因组信息和已发掘的遗传资源,更加快速有效的获得高产、单性及抗病抗逆新品种,如果在水产领域应用推广此项技术,敲除鱼、虾、贝类的肌肉抑制基因,增加抗病抗逆基因获取更高肌肉含量且具有更强适应性的的水产新品种将具有巨大的市场前景和良好的社会和经济效益,从而更好的为人们提供营养丰富水产品。基因编辑技术在水产中的应用已成为一种趋势,一定会在未来的水产生物技术研究中发挥越来越大的作用。
研发中心:郑岩