ACIE：科学家利用光来控制基因编辑作用

ACIE：科学家利用光来控制基因编辑作用

2016年08月28日讯 基因编辑系统CRISPR可以帮助科学家剔除或替代活细胞中的任何靶向基因，近日来自MIT的科学家们通过研究制造了一种对光产生反应的特殊系统，该系统可以有效控制基因编辑发生的时间和地点，相关研究刊登于国际杂志Angewandte Chemie International Edition上。在这种新型系统的帮助下，只要当研究者将紫外线照射于靶向细胞上，该细胞中就会发生基因编辑，这或许就可以帮助研究者更加清楚地解析影响胚胎发育或疾病进展的细胞和遗传事件了，同时还可以提供一种靶向性的策略来关闭肿瘤细胞中的促癌基因。

添加这种光控开关的优势就在于其可以在空间和时间上给予基因编辑系统更加精确的控制；CRISPR基因编辑技术依赖于由切割DNA的酶类Cas9和短链RNA组成的基因编辑复合物，短链RNA可以引导酶类进入到基因组的特殊区域，从而指导Cas9酶类进行基因的切割，当Cas9和导向RNA都进入到细胞中时，特殊的切割就会在基因组中发生。

这项研究中，研究者利用光来控制对绿色荧光蛋白（GFP）基因的编辑，同时研究者还实现了对细胞表面编码蛋白的两种基因及在某些癌症中过度表达的基因编辑过程的控制；研究者Bhatia说道，如果这真的是一种可规划方案的话，我们就应当设计出保护性的序列来抵御靶向序列，我们已经设计了能够抵御不同基因的保护装置，而且还发现这些保护装置可以被光控制激活表达；此外在多种实验中，当利用混合的保护装置时，在光暴露后“裂开”的唯一靶点就可以被保护起来。

在合适的时间对基因编辑进行精确的控制可以帮助科学家研究参与疾病进展的细胞事件，从而就能够确定何时关闭基因表达才是最佳的干预时间；CRISPR-Cas9是研究者用来研究基因如何影响细胞行为的一种强大的基因编辑工具，这项技术进步奖帮助研究者实现对多种遗传改变的精确控制，因此本文研究或将为多个研究团体提供一种有用的工具来改善当前的基因编辑领域的研究。

如今研究者Bhatia的实验室正在寻找基于该技术的医学应用，其中一种可能性就是利用这种技术来关闭参与皮肤癌发病的癌变基因的表达，而且这些癌变基因也是一种非常好的靶点，因为皮肤可以很容易地暴露于紫外光下。研究小组目前正在开发一种通用的保护装置，其可以与任何RNA导向链相互配合使用，从而就消除了设计新型RNA序列的需要，同时也能够立刻抑制CRISPR-Cas9对许多靶点的切割编辑。

科学家是如何确定一个基因所代表的功能的？

你得有一个基因。很多时候不是研究一个基因，而是研究一个现象，然后发现是由某个基因介导的。这类研究是这样，先有一个模式生物，比如小鼠，果蝇，斑马鱼，线虫。然后关注一个我们感兴趣的表型，比如说眼睛的发育。然后对所研究的模式生物进行遗传诱变，比如用X-ray照射果蝇，然后看后代里有没有眼睛不正常的，有的话就挑出来。然后各种遗传学操作，做genemapping去找到底哪个基因坏了导致的眼睛不正常。最后找到了，然后将其克隆出来，比对小鼠和人类的基因组有没有同源的基因，找到同源的基因。然后可能会在小鼠里敲除这个基因，然后看小鼠是不是也眼睛发育有问题。最后可以到人群里去找眼睛有遗传病的人，测序看他的基因组里的这个基因是不是也突变了。这样就可以确定这个基因的功能。所以一般是先有表型再去找基因，也就是所谓的正向遗传学。当然你也可以用反向遗传学，挨个敲掉基因看有没有你要的表型。因为科学家一般只关注自己感兴趣的基因，所以不会出现你说的那种情况，就是不会追着一个基因非要知道它的功能，而是有目的地找他所关心的基因。另一方面，当然也可以直接在人里做研究，这就是所谓的人类遗传学。还是用眼睛做例子，你可以反过来直接在人群里找那种有家族式眼睛缺陷的人，建立家谱，然后测序他们的基因组。现在常有的是连锁分析或者基因组关联分析，也就是GWAS，目的就是看看到底哪个或者哪些突变与感兴趣的表型有联系，比如这里就是到底是哪个突变导致的眼睛缺陷。然后在小鼠里或者果蝇里定向敲除这些基因，看看他们是不是眼睛也有问题。所以你会发现，基因的功能是通过没有它发生了什么这个逻辑来反推他原来的功能的，而不是你想象的那样像追犯人那样看它到底做了什么。这也是遗传学的真谛所在。

基因在遗传中的作用是什么

基因(Gene,Mendelian factor) ，也就是最初孟德尔说的遗传因子。是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列，是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。 基因有两个特点，一是能忠实地复制自己，以保持生物的基本特征；二是基因能够“突变”，突变大绝大多数会导致疾病，另外的一小部分是非致病突变。非致病突变给自然选择带来了原始材料，使生物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体. 含特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。除某些病毒的基因由核糖核酸(RNA)构成以外，多数生物的基因由脱氧核糖核酸(DNA)构成，并在染色体上作线状排列。基因一词通常指染色体基因。在真核生物中，由于染色体都在细胞核内，所以又称为核基因。位于线粒体和叶绿体等细胞器中的基因则称为染色体外基因、核外基因或细胞质基因，也可以分别称为线粒体基因、质粒和叶绿体基因。 基因最初是一个抽象的符号，后来证实它是在染色体上占有一定位置的遗传的功能单位。大肠杆菌乳糖操纵子中的基因的分离和离体条件下转录的实现进一步说明基因是实体。今已可以在试管中对基因进行改造(见重组DNA技术)甚至人工合成基因。对基因的结构、功能、重组、突变以及基因表达的调控和相互作用的研究始终是遗传学研究的中心课题。 基本特性编辑本段 基因具有3种特性：①稳定性。基因的分子结构稳定，不容易发生改变。基因的稳定性来源于基因的精确自我复制,并随细胞分裂而分配给子细胞,或通过性细胞传给子代，从而保证了遗传的稳定。②决定性状发育。基因携带的特定遗传信息转录给信使核糖核酸(mRNA)，在核糖体上翻译成多肽链，多肽链折叠成特定的蛋白质。其中有的是结构蛋白，更多的是酶。基因正是通过对酶合成的控制，以控制生物体的每一个生化过程，从而控制性状的发育。③可变性。基因可以由于细胞内外诱变因素的影响而发生突变。突变的结果产生了等位基因和复等位基因。由于基因的这种可变性，才得以认识基因的存在，并增加了生物的多样性，为选择提供更多的机会。 基因破译编辑本段 目前，由多国科学家参与的“人类基因组计划”，正力图在21世纪初绘制出完整的人类染色体排列图。众所周知，染色体是DNA的载体，基因是DNA上有遗传效应的片段，构成DNA的基本单位是四种碱基。由于每个人拥有30亿对碱基，破译所有DNA的碱基排列顺序无疑是一项巨型工程。与传统基因序列测定技术相比，基因芯片破译人类基因组和检测基因突变的速度要快数千倍。 基因芯片的检测速度之所以这么快，主要是因为基因芯片上有成千上万个微凝胶，可进行并行检测；同时，由于微凝胶是三维立体的，它相当于提供了一个三维检测平台，能固定住蛋白质和DNA并进行分析。 美国正在对基因芯片进行研究，已开发出能快速解读基因密码的“基因芯片”，使解读人类基因的速度比目前高1000倍。 基因诊断编辑本段 通过使用基因芯片分析人类基因组，可找出致病的遗传基因。癌症、糖尿病等，都是遗传基因缺陷引起的疾病。医学和生物学研究人员将能在数秒钟内鉴定出最终会导致癌症等的突变基因。借助一小滴测试液，医生们能预测药物对病人的功效，可诊断出药物在治疗过程中的不良反应，还能当场鉴别出病人受到了何种细菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遗传基因，将使10年后对糖尿病的确诊率达到50%以上。 基因来自父母，几乎一生不变，但由于基因的缺陷，对一些人来说天生就容易患上某些疾病，也就是说人体内一些基因型的存在会增加患某种疾病的风险，这种基因就叫疾病易感基因。 只要知道了人体内有哪些疾病的易感基因，就可以推断出人们容易患上哪一方面的疾病。然而，我们如何才能知道自己有哪些疾病的易感基因呢？这就需要进行基因的检测。 基因检测是如何进行的呢？用专用采样棒从被测者的口腔黏膜上刮取脱落细胞，通过先进的仪器设备，科研人员就可以从这些脱落细胞中得到被测者的DNA样本，对这些样本进行DNA测序和SNP单核苷酸多态性检测，就会清楚的知道被测者的基因排序和其他人有哪些不同，经过与已经发现的诸多种类疾病的基因样本进行比对，就可以找到被测者的DNA中存在哪些疾病的易感基因。 基因检测不等于医学上的医学疾病诊断，基因检测结果能告诉你有多高的风险患上某种疾病，但并不是说您已经患上某种疾病，或者说将来一定会患上这种疾病。 通过基因检测，可向人们提供个性化健康指导服务、个性化用药指导服务和个性化体检指导服务。就可以在疾病发生之前的几年、甚至几十年进行准确的预防，而不是盲目的保健；人们可以通过调整膳食营养、改变生活方式、增加体检频度、接受早期诊治等多种方法，有效地规避疾病发生的环境因素。 基因检测不仅能提前告诉我们有多高的患病风险，而且还可能明确地指导我们正确地用药，避免药物对我们的伤害。将会改变传统被动医疗中的乱用药、无效用药和有害用药以及盲目保健的局面。 全球每年死于不合理用药750万人。位居死亡人数排行的第四位。我国因药物不良反应住院的病人每年约250万人，直接死亡20万人。我国每年发生药物性耳聋的儿童约3万多人，在100多万聋哑儿童中，50%左右是药物致聋。上海每年1万人因吃错药而死亡。 基因检测正在造福千家万户。基因检测：是送给儿女的平安“储蓄”、送给自己的“投资”、送给父母的长寿“保险”。一次检测，终身受益。 未来人们在体检时，由搭载基因芯片的诊断机器人对受检者取血，转瞬间体检结果便可以显示在计算机屏幕上。利用基因诊断，医疗将从千篇一律的“大众医疗”的时代，进步到依据个人遗传基因而异的“定制医疗”的时代。 基因环保编辑本段 基因芯片在环保方面也大有可为。基因芯片可高效地探测到由微生物或有机物引起的污染，还能帮助研究人员找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。这种对环境友好的基因一旦被发现，研究人员将把它们转入普通的细菌中，然后用这种转基因细菌清理被污染的河流或土壤。 基因计算编辑本段 DNA分子类似“计算机磁盘”，拥有信息的保存、复制、改写等功能。将螺旋状的DNA的分子拉直，其长度将超过人的身高，但若把它折叠起来，又可以缩小为直径只有几微米的小球。因此，DNA分子被视为超高密度、大容量的分子存储器。 基因芯片经过改进，利用不同生物状态表达不同的数字后还可用于制造生物计算机。基于基因芯片和基因算法，未来的生物信息学领域，将有望出现能与当今的计算机业硬件巨头――英特尔公司、软件巨头――微软公司相匹敌的生物信息企业。 遗传基因与疾病编辑本段 现代医学研究证明，除外伤外，几乎所有的疾病都和基因有关系。像血液分不同血型一样，人体中正常基因也分为不同的基因型，即基因多态型。不同的基因型对环境因素的敏感性不同，敏感基因型在环境因素的作用下可引起疾病。另外，异常基因可以直接引起疾病，这种情况下发生的疾病为遗传病。 可以说，引发疾病的根本原因有三种： （1）基因的后天突变； （2）正常基因与环境之间的相互作用； （3）遗传的基因缺陷。 绝大部分疾病，都可以在基因中发现病因。 基因通过其对蛋白质合成的指导，决定我们吸收食物，从身体中排除毒物和应对感染的效率。 第一类与遗传有关的疾病有四千多种，通过基因由父亲或母亲遗传获得。 第二类疾病是常见病，例如心脏病、糖尿病、多种癌症等，是多种基因和多种环境因素相互作用的结果。 基因是人类遗传信息的化学载体，决定我们与前辈的相似和不相似之处。在基因“工作”正常的时候，我们的身体能够发育正常，功能正常。如果一个基因不正常，甚至基因中一个非常小的片断不正常，则可以引起发育异常、疾病，甚至死亡。 健康的身体依赖身体不断的更新，保证蛋白质数量和质量的正常，这些蛋白质互相配合保证身体各种功能的正常执行。每一种蛋白质都是一种相应的基因的产物。 基因可以发生变化，有些变化不引起蛋白质数量或质量的改变，有些则引起。基因的这种改变叫做基因突变。蛋白质在数量或质量上发生变化，会引起身体功能的不正常以致造成疾病。 遗传基因技术编辑本段 克隆 克隆是英语单词clone的音译，clone源于希腊文klone，原意是指幼苗或嫩枝，以无性繁殖或营养繁殖的方式培育植物，如杆插和嫁接。 如今，克隆是指生物体通过体细胞进行的无性繁殖，以及由无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群。克隆也可以理解为复制、拷贝，就是从原型中产生出同样的复制品，它的外表及遗传基因与原型完全相同。 转基因技术 将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”(Genetically modified organism，简称GMO)。
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提高农作物产量的重要途径是什么？

提高农作物产量的重要条件之一，是提高农作物对光能的利用率。要提高农作物对光能的利用率，除了高中生物必修课本中介绍过的延长光合作用时间和增加光合作用面积以外，还应当提高农作物的光合作用效率。光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量，与光合作用中吸收的光能的比值。那么，怎样才能提高农作物的光合作用效率呢？
光照强弱的控制
光照是光合作用的条件之一，直接影响农作物光合作用效率的提高。但是，不同的农作物，对光照强弱的需求不同。有些农作物如水稻、玉米、向日葵等，进行光合作用时需要强的光照，只有强的光照才能生长发育良好，才能提高光合作用效率，这类农作物属于阳生植物，阳生植物应当种植在阳光充裕的地方。有些农作物如胡椒(如图)等，进行光合作用时不需要太强的光照，太强的光照不利于生长发育，也就不利于提高光合作用效率，这类农作物属于阴生植物，阴生植物应当种植在荫蔽的地方。
光的不同成分
太阳光经过三棱镜后，形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱，这是人眼能够感觉到的可见光。不同颜色的光，对农作物的光合作用效率有一定的影响。科学研究证明，当绿色植物在能量相等的不同单色光下进行光合作用时，红光和蓝紫光有利于提高光合作用效率，而黄绿光则不利于提高光合作用效率。有趣的是，不同颜色的光对光合作用产物的成分也有影响：在蓝紫光的照射下，光合产物中蛋白质和脂肪的含量较多；在红光的照射下，光合产物中糖类的含量较多。这一发现在塑料大棚和人工光照的温室中具有应用价值。例如，在培育水稻秧苗时，蓝色的塑料薄膜有利于培育壮秧。
二氧化碳的供应
科学家通过研究绿色植物周围空气中二氧化碳浓度与光合作用强弱的关系，绘制出图。分析左图可以看出，二氧化碳的浓度很低时，绿色植物不仅不能制造有机物，而且还要消耗体内的有机物；随着二氧化碳浓度的提高，光合作用逐渐增强；当二氧化碳浓度提高到一定程度时，光合作用的强度不再随二氧化碳浓度的提高而增强；如果继续提高二氧化碳的浓度，光合作用的强度反而明显减弱。可见，绿色植物周围空气中二氧化碳的浓度，直接影响绿色植物的光合作用效率。农作物周围空气中二氧化碳的浓度通常比较低，而且随着光合作用的进行还会降低，使植株经常处于“二氧化碳饥饿”的文本框: 我国北魏时期的农书《齐民要术》中，就有关于栽种农作物要“正其行，通其风” 的记载。状态，这显然不利于提高光合作用效率。对于农田里的农作物来说，确保良好的通风透光，既有利于充分利用光能，又可以使空气不断地流过叶面，有助于提供较多的二氧化碳，从而提高光合作用效率。对于温室里的农作物来说，通过增施农家肥料或使用二氧化碳发生器等措施，可以增加温室中二氧化碳的浓度，同样可以提高农作物的光合作用效率。
必需矿质元素的供应
绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。例如，氮是催化光合作用过程中各种酶以及NADP+和ATP的重要组成成分，磷也是NADP+和ATP的重要组成成分。科学家发现，用磷脂酶将离体叶绿体膜结构上的磷脂水解掉后，在其他原料和条件都具备的情况下，这些叶绿体的光合作用过程明显受到阻碍。可见，磷在维持叶绿体膜的结构和功能上起着重要的作用。又如，绿色植物通过光合作用合成糖类，以及将糖类运输到块根、块茎和种子等器官中，都需要钾。再如，镁是叶绿素的重要组成成分。可见，只有保证植物必需矿质元素的供应，才能使光合作用顺利地进行下去。需要指出的是，必需矿质元素的供应过量时，也会给农作物的生长发育带来危害，例如氮肥施用过多时，会造成农作物倒伏，从而影响农作物光合作用效率的提高。

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