2020 諾貝爾獎化學獎 Nobel Prize in Chemistry 2020-CRISPR/Cas9 中文版解析

一、概念:

CRISPR/Cas9是原核生物的免疫機制,目的是讓細菌受過嗜菌體(Bacteriophage,感染細菌的病毒)感染之後,下一次在遇到同樣的嗜菌體, 就可以快速殺掉

要達到這個目的, 就要先擷取嗜菌體的基因片段,放進自己的基因資料庫,下次遇到同樣的嗜菌體, 經比對基因片段, 就快速殺掉他

二、詳細機制:

1.現在有一隻嗜菌體感染細菌, 細菌把嗜菌體的基因片段放進自己基因資料庫的紀錄裏面(稱為crispr序列),希望下次遇到同一隻,可以快速殺掉同樣的嗜菌體

2.細菌康復

3.細菌又遇到一隻嗜菌體感染,細菌搜尋自己的基因資料庫(crispr序列), 有沒有遇過同樣的嗜菌體, bingo, 有ㄝ!

4.所以細菌把自己的crispr序列 DNA transcript轉錄成RNA, (過程省略)反正做出crRNA跟tracrRNA的結合體(稱為RNA結合體好了),包含那隻嗜菌體的基因序列 (所以是可以跟嗜菌體的基因序列互補結合的)

5.要開始殺嗜菌體了! RNA結合體過去辯認嗜菌體的基因片段,可以對的上!然後就把Cas9召喚過來(Cas9實際結合的是基因片段旁邊叫PAM的片段,不重要)

6.Cas9 是什麼?是個DNA endonuclease, 可以切DNA nucleotides, 製造DNA斷端(雙股,強調雙股是因為,後面講到人體,單股跟雙股斷裂,DNA repair的方式會不一樣)

7.所以Cas9就把嗜菌體的基因切斷了!嗜菌體死掉!成功消滅病毒

三、應用到真核生物包含人類的細胞,有一些修改, 

1.細菌有cas9,人類沒有,所以要送進人類細胞,送的方式很多,主要是把Cas 9跟 RNA結合體一起送進人類細胞 (RNA結合體在細菌是crRNA跟tracrRNA, 到人類就直接變成一個叫guide RNA(gRNA))

2.送進人類細胞的Cas 9跟 gRNA 會尋找人類細胞的基因序列有沒有可以配對的,有的話, Cas9就把那段基因切斷

3.現在製造出了人類基因的雙股斷端, 人類本來就有2種修復雙股斷端的機制,一種叫NHEJ,另一種叫HEJ:

   (1) nonhomologous end joining (NHEJ): 直接把折斷的兩根接起來,中間失去的序列不管她,所以會跟原本不一樣(不同源,所以叫nonhomologous)

        這樣對人類細胞來說,假如失去的序列base pair不是3的倍數,就有可能造成frameshift mutation,等於是做實驗達成knock out gene (我們做實驗常常要把一些基因 knock out, 看看生物體的變化,來推論那個基因的作用)

   (2) homologous end joining (HEJ): 正常人體的機制, 會希望修補之後的基因序列跟原本一樣,所以這種方式就不是直接把折斷的兩根接起來,而是保留空隙, 然後就用同源染色體做出同樣的序列, 拿它來互補,長出新的necleotide,填補原本的序列,這樣修補之後,DNA序列就可以回復原本同源的(所以叫homologous)

        這樣對實驗來說,就可以knock in 基因, 因為我只要給他一個donor DNA, 他就可以做出我想要的互補的,填進去斷端 (補充: 實驗室要knock in 基因的目的是用增加基因的表現,看看生物體的變化,也是另一個角度來推論那個基因的作用)

四、結論:

本來在細菌用來切除嗜菌體的免疫系統,可以用來剪輯人類細胞的基因,用knock in 或knock out 基因的方式來研究該基因的功能

加速研究的方便,而且專一性,諾貝爾獎實至名歸

補充圖片:

人類基因repair種類

參考資料:

osmosis影片

https://www.youtube.com/watch?v=Be34dclOK38&t=88s

https://www.youtube.com/watch?v=RMnp7S-75vQ&feature=share

2020 諾貝爾獎化學獎 Nobel Prize in Chemistry 2020-CRISPR/Cas9 得獎者:Emmanuelle Charpentier跟Jennifer A. Doudna