三代基因组编辑技术汇总.
基因组编辑方法
基因组编辑方法
基因组编辑，又称基因编辑（gene editing），是指一种通过删除、插入或替换基因组的某个片段或特定碱基使基因组发生特定变化的分子技术。
基因组编辑技术主要包括以下几种方法：
- 第三代基因编辑技术：CRISPR-Cas9，这种技术能以极其简单的方式对基因进行精准操作——编辑。
- TALEN 技术：这是一种依靠 TALEN 蛋白对基因组进行编辑的方法。
TALEN 蛋白由一对核酸酶和一对与目的 DNA 序列互补的核酸组成，可以在特定的位置切断 DNA 双链，并进行基因编辑。
- ZFN 技术：ZFN 是一种由一对锌指核酸酶和一段与目的 DNA 序列互补的寡核苷酸组成的基因编辑工具。
ZFN 可以特异性地识别并结合到目的 DNA 序列上，然后在锌指核酸酶的催化下切断 DNA 双链，实现基因编辑。
利用基因组编辑技术，可以精确地定位到基因组上的某一个位点，在这个位点上剪断目的DNA片段，插入新的DNA片段，从而使特定位点基因序列发生突变，实现对DNA序列的遗传改造操作。
三代基因组编辑技术
首先，锌指核酸酶和转录激活因子样效应物核酸酶的设计和合成过程较为复杂，需要较 高的技术水平和经验；其次，由于这两种技术需要将蛋白质引导至细胞核内，因此对细 胞具有毒性作用；此外，由于这两种技术需要识别和切割DNA序列，因此可能存在脱
靶效应和基因突变的风险。
03
第二代基因组编辑技术
碱基编辑器（Base Editors）
总结词
胞嘧啶脱氨酶引导的编辑是一种利用胞嘧啶脱氨酶对DNA进行精准编辑的方法。
详细描述
胞嘧啶脱氨酶能够将DNA中的胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U），进而在随后的DNA复制过程中导致基因 突变。通过将特定的脱氨酶与CRISPR-Cas9系统结合，可以实现精准的基因组编辑。
基因组编辑的最新进展与前景
总结词
04
第三代基因组编辑技术
碱基编辑器（Base Editors）的改进与优化
高效性
通过优化碱基编辑器的脱靶效应 和编辑效率，提高其在基因组中 的精准度和可靠性。
特异性
改进碱基编辑器的识别机制，降 低其在基因组中脱靶编辑的可能 性，提高编辑的特异性。
适用性
拓展碱基编辑器的应用范围，使 其适用于更多种类的基因突变和 遗传疾病的治疗。
随着技术的不断进步，基因组编辑技术 正在不断发展，未来有望在医学、农业 等领域发挥更大的作用。
VS
详细描述
近年来，基因组编辑技术取得了许多突破 性进展，例如开发出更加高效和精准的编 辑工具，以及在人类疾病治疗和农作物改 良等领域的应用。未来，基因组编辑技术 有望在更多领域发挥重要作用，为人类带 来更多的福祉。
三代基因组编辑技术
目录
• 基因组编辑技术概述 • 第一代基因组编辑技术 • 第二代基因组编辑技术 • 第三代基因组编辑技术
基因测序三代技术介绍
基因测序三代技术介绍基因测序是指对生物体的基因组进行全面、系统的测序分析，以获得个体基因组的完整信息。
在过去的几十年中，随着基因测序技术的不断发展，人们逐渐实现了从第一代到第三代基因测序技术的跨越。
本文将介绍第三代基因测序技术的原理、应用和前景。
第三代基因测序技术是指相对于第一代和第二代技术而言的新一代测序技术。
与前两代技术相比，第三代基因测序技术具有更高的测序速度、更低的成本、更高的准确性和更广泛的应用领域。
第三代技术的代表性方法有单分子测序、纳米孔测序和光学显微镜测序等。
单分子测序是第三代基因测序技术中的一种重要方法。
它利用单个DNA分子作为模板进行测序，通过监测DNA聚合酶在DNA模板上的扩增过程，实现对DNA序列的测定。
这种方法不需要PCR扩增，因此可以避免PCR引入的偏差和错误。
同时，单分子测序技术具有较高的测序速度和准确性，可以在较短的时间内完成大规模基因组的测序，为基因研究提供了强有力的工具。
纳米孔测序是另一种常用的第三代基因测序技术。
它利用具有纳米孔的膜片作为测序平台，通过控制DNA分子通过纳米孔时引起的电流变化来测定DNA序列。
纳米孔测序技术具有高通量、快速、低成本和直接测序等优点。
由于纳米孔测序技术不需要PCR扩增和荧光标记，因此可以避免PCR和荧光引入的偏差和错误，提高了测序的准确性。
光学显微镜测序是第三代基因测序技术的又一重要方法。
它利用荧光染料标记的DNA分子在显微镜下进行成像，通过观察DNA分子的运动轨迹来测定DNA序列。
光学显微镜测序技术具有高分辨率、高准确性和高通量的特点。
通过引入微流控芯片和自动化设备，光学显微镜测序技术可以实现高通量的基因测序，为基因组学研究提供了重要工具。
第三代基因测序技术在基因组学研究、医学诊断和生物工程等领域具有广泛的应用前景。
在基因组学研究方面，第三代测序技术可以帮助科学家更好地理解基因组的结构和功能，揭示基因与疾病之间的关系，为疾病的早期预测和个体化治疗提供依据。
第三代基因编辑技术CRISPRCas9
2002 该结构被正式定义为成簇、
规律间隔短回文重复序列（CRISPR）
2005 三个研究小组均发现
CRISPR 的间隔序列(spacer)与宿 主菌的染色体外的遗传物质高度同 源
2007 Barrangou 等首次发现并
证明细菌可能利用CRSPR系统对抗噬 菌体入侵。
2013 Zhang 研究组首次在人
293T细胞与小鼠Nero2A细胞中利 用 Crispr/Cas9系统实现了基因定点突变。
II型CRISPR免疫
II型CRISPR免疫
CRISPR系统结构
Crispr/Cas9系统核心：Cas9核 酸酶、sgRNA
(间隔相邻基序)
Cas9切割后的DNA修复
Proteins containing DNA-binding domains that recognize specific DNA sequences down to the base pair
Difficult: -Need a customized protein for each gene sequence -Low delivery efficiency
33
不限
/E-CRISP/index.html
33
23-5000
/crispr
23
不限
https:///indn/submit
Phase I
PD-1 Knockout T Cells
August Phase I PD-1 Knockout T
11, 2016
Cells
新型疗法
不良反应： 细胞因子释放综合征
嵌合抗原受体T细胞（CAR-T） 基因编辑技术应用在 CAR-T 上的成功案例： Cellectis 公司UCART19
常用基因组编辑技术
常用基因组编辑技术基因组编辑技术是一种通过直接修改生物体的DNA序列来实现精确基因改造的技术。
随着基因组编辑技术的不断发展，其在医学、农业和生物学等领域中的应用也变得越来越广泛。
本文将对常用的基因组编辑技术进行介绍和比较，包括CRISPR/Cas9、TALEN和ZFN 等技术的原理、优缺点以及应用前景。
一、CRISPR/Cas9技术CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）/Cas9是目前应用最广泛的基因组编辑技术之一。
CRISPR/Cas9系统来源于细菌的自身免疫防御机制，可以通过设计特定的引导RNA来实现对特定基因的精准编辑。
CRISPR/Cas9技术的工作原理是将CRISPR系统导向到目标DNA区域，使Cas9蛋白酶与目标DNA发生特异性结合，并在目标位点引发双链切割，从而引起DNA修复过程，实现基因组编辑。
CRISPR/Cas9技术的优点包括操作简单、高效、成本低廉以及应用范围广泛。
CRISPR/Cas9技术存在着一些局限性，例如可能引发未知的遗传变异或不可预测的副作用，因此在临床应用中需要谨慎评估。
CRISPR/Cas9技术在实际应用中也面临着一些挑战，如难以实现长序列的精准编辑、低特异性等问题。
二、TALEN技术TALEN（Transcription activator-like effector nucleases）是一种来源于细菌的蛋白质，可以与DNA特异性结合并引发双链切割，从而实现基因组编辑。
TALEN技术的原理是将特异性的转录激活样效应子（TALEs）与核酸酶（nuclease）相结合，构建成能够识别并切割目标DNA的复合物。
与CRISPR/Cas9技术相比，TALEN技术具有更高的特异性和更低的离靶效应，因此在一些特定的基因组编辑任务中表现出较大优势。
TALEN技术受制于合成复杂度和操作难度较大的限制，因此在实际应用中受到一定的局限性。
基因组编辑三大技术
基因组编辑三大技术：CRISPR、TALEN和ZFN[创新技巧]摘要：最近出现的新工具让研究人员能够在几乎任何物种中实现精确的修饰，有着核苷酸水平的精确度，也有着令人难以置信的速度。
大部分是在特定的位置引入双链DNA断裂，然后由细胞进行修复。
区别在于如何引入断裂，以及新序列靶定的难易程度。
在过去，如果你想在模式生物中进行复杂的基因组修饰，你几乎只能选择小鼠。
首先，你要设计一个打靶载体，将其引入小鼠胚胎干细胞，并将这些经过修饰的细胞注射到小鼠囊胚。
接着是孕育、出生、筛选，等待所需的幼崽成长到性成熟，交配和杂交，之后是更多孕育、更多筛选，一直下去。
复杂的项目也许需要一年或更长时间才能完成。
它几乎只对小鼠起作用。
原因还不是很清楚，也许小鼠胚胎干细胞有着特别活跃的同源重组系统。
大鼠和人类则不是这样。
不过好消息是，最近出现的新工具让研究人员能够在几乎任何物种中实现精确的修饰，有着核苷酸水平的精确度，也有着令人难以置信的速度。
大部分是在特定的位置引入双链DNA 断裂，然后由细胞进行修复。
区别在于如何引入断裂，以及新序列靶定的难易程度。
锌指核酸酶（ZFN）第一个使用定制DNA核酸内切酶的基因组编辑策略就是锌指核酸酶（zinc-finger nucleases，简称ZFN）。
锌指蛋白是转录因子；每个指模块识别3-4个碱基的序列，将这些模块混合搭配，研究人员或多或少能靶定他们希望的任何序列。
Sigma-Aldrich公司将ZFN技术商业化，推出CompoZr ZFN试剂平台。
ZFN是异源二聚体，其中每个亚基含有一个锌指结构域和一个FokI核酸内切酶结构域。
FokI 结构域必须二聚化才有活性，确保必须存在两个相邻的DNA结合事件才能实现双链断裂，从而增加了目标特异性。
切割事件使得大部分基因组编辑技术得以实现。
在双链断裂后，细胞试图修复它。
最简单的方法是非同源末端接合（NHEJ），其中细胞基本上磨平断裂DNA的两端，再将其彼此拉近，这往往产生移码。
三代基因组测序技术简介及其原理整理.
三代基因组测序技术简介及其原理整理第一代测序技术第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson）开创的链终止法以及1976-1977年由马克西姆（Maxam）和吉尔伯特（Gilbert）发明的化学法（链降解）。
1977年，桑格测定了第一个基因组序列——噬菌体X174，全长5375个碱基。
自此，人类获得了窥探生命遗传差异本质的能力，并以此为开端步入基因组学时代。
研究人员在Sanger法的多年实践之中不断对其进行改进。
在2001年，完成的首个人类基因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序基础。
Sanger法原理：1）在模板指导下，DNA聚合酶不断将dNTP（N=A/G/T/ C）加到引物的3’- OH末端，合成出新的互补链。
在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP，在互补链在DNA聚合酶作用下延伸时，一旦连接上ddNTP，由于双脱氧核糖的2’和3’都不含羟基，故不能同后续的dNTP形成磷酸二酯键而终止反应，随即形成一系列不同长度的、以同样引物为起始、以同一碱基终止的短片段混合物。
2）双脱氧核苷酸在每个DNA分子中掺入的位置不同，采用聚丙烯酰胺凝胶电泳区分长度差一个核苷酸的单链DNA，从而读取DNA核苷酸序列。
化学裂解法原理：与Sanger法类似，将DNA模板分成4个反应。
在每个反应中，先在模板5’端进行放射性标记，再加入能特异性在其中一种碱基处切开DNA的化学试剂。
反应进行时，平均一个DNA分子只在随机位点产生一次裂解。
接着，通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列。
第二代测序技术第一代测序技术的主要特点是测序读长可达1000bp，准确性高达99.999%，但其测序成本高，通量低等方面的缺点，严重影响了其真正大规模的应用。
因而第一代测序技术并不是最理想的测序方法。
经过不断的技术开发和改进，以Roche公司的454技术、illumina公司的Solexa，Hiseq技术和ABI公司的Solid技术为标记的第二代测序技术诞生了。
基因测序三代技术介绍
基因测序三代技术介绍基因测序是指对生物体的基因组进行测序，以获取其基因序列信息的过程。
而基因测序的三代技术则是指第三代测序技术，相对于第一代和第二代测序技术而言，具有更高的速度、更低的成本以及更高的准确性。
第一代测序技术是指最早期的测序技术，如Sanger测序技术。
这种技术通过将待测DNA片段进行复制扩增，然后使用荧光标记的dideoxynucleotide作为终止子，以分子量为基础进行分离，从而确定DNA序列。
虽然第一代测序技术具有高度的准确性，但其速度较慢、成本较高，且只能测序较短的DNA片段。
第二代测序技术则是指近年来发展起来的一系列高通量测序技术，如454测序、Illumina测序、Ion Torrent测序等。
这些技术主要基于并行测序的原理，通过将DNA分子进行大规模的并行测序，从而实现高通量、高速度的测序。
相对于第一代测序技术，第二代测序技术具有更高的测序速度、更低的测序成本，且可同时测序多个样品。
然而，第二代测序技术在长读长、测序错误率较高等方面仍存在不足之处。
而第三代测序技术则是在第二代测序技术的基础上进行了进一步的改进与创新，被广泛认为是测序技术的新一代。
第三代测序技术主要包括PacBio测序、Nanopore测序等。
这些技术的共同特点是能够实现单分子测序，即直接对单个DNA分子进行测序，从而避免了PCR扩增等步骤可能引入的错误。
此外，第三代测序技术还具有高度的测序速度、更长的读长、更低的测序错误率等优势。
PacBio测序技术是一种基于单分子实时测序原理的第三代测序技术。
该技术通过将待测DNA片段引入到PacBio测序平台中的Zero Mode Waveguide（ZMW）孔中，然后使用DNA聚合酶合成DNA链，同时检测DNA链的合成过程，从而实现实时的单分子测序。
PacBio测序技术具有极高的测序速度和极长的读长，能够实现全基因组的长读长测序。
Nanopore测序技术则是一种基于纳米孔原理的第三代测序技术。
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Code of DNA Binding Specificity of TAL-Type III Effectors
一系列（12或以上）串联重复序列构成识别元件 每个重复有34个氨基酸残基 除12和13位其余都高度保守 重复序列可变的双氨基酸残基(repeat-variable diresidues, RVD) NI-A, HD-C, NNG/A, and NG-T
ZFN mediated genome editing
ZFN的限制性
已建有ZFN库，识别多种DNA序列，但不 能达到识别任意靶DNA，其应用受到限制。 细胞毒性—大量脱靶位点的出现导致基因 组的破坏
构建繁琐—识别特性决定构建难度大，时 间长
Transcription activator like effector nuclease(TALEN)
基因组编辑三大利器
介绍
• ZFN:Zinc-finger nucleases 锌指核糖核酸 酶 • TALENs:transcription activator-like effector nucleases 转录激活因子样效应 物核酸酶 • CRISPR/ Cas9 :clustered regularly interspaced short palindromic repeats 成簇的规律间隔的短回文重复序列/ CRISPR-associated 9
Zinc Finger Nuclease(ZFN)
What is a Zinc Finger?
- 是一种常出现在DNA结合蛋白质中的一种结构基 元。锌螯合在氨基酸链中形成锌的指状结构。 - 对基因调控起重要的作用。根据其保守结构域的不 同，可将锌指蛋白主要分为C2H2型、C4型和C6型。 锌指通过与靶分子DNA、RNA、DNA－RNA的序 列特异性结合，以及与自身或其他锌指蛋白的结合 在转录和翻译水平上调控基因的表达、细胞分化以 及胚胎发育。
Plant Bacterial TAL Effector
发现：1989年，植物病原体黄担保菌属（Xanthomonas spp.）avrbs3基因 发展：2007年，发现其序列特异性核酸结合特性，avvrBs3-TA. 2009年，TAL effector 氨基酸序列与核酸靶序列的密码被破译、 应用：2011年，Nature Biotechonlogy同时发辫四篇TALEN基因敲除文章和一篇综述
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The principle of TALEN-mediated gene targeting(基本原则)
Ⅰ Ⅱ.利用细胞 HR（同源重 组）修复机 制实现基因 修饰 Ⅱ Ⅲ
Ⅰ.利用TALEN在特 定位点创造DSB
Ⅲ.利用细胞NHEJ （非同源性末端接合） 修复机制实现基因修 饰
TALENs的优缺点
Functional domains of Xanthomonas TAL effectors TAL 效应蛋白的不同结构功能域
N-端包括一个移位子信号 C-端包括一个核定位信号和转录激活域 中间的重复序列决定其特异性 • The number of repeats in TAL effectors varies between 1.5 and 33.5 • The general repeat length is 34 aa
- 结构
• 24-30 个氨基酸残基 •形成α-β-α二级结构 • 两保守的半胱氨酸和组氨酸配位一个锌原子。
Zinc finger nuclease (ZFN)
由一个 DNA 结合域（DNA-binding domain）和一个非特异性核 酸内切酶Fok1构成。DNA 结合域是由一系列 Cys2-His2锌指蛋白 （zinc-fingers）串联组成（一般 3~4 个），每个锌指蛋白识别并结 合一个特异的三联体碱基。
Genetics, Vol. 188, 773–782
ZFN mediated genome editing
• FOK1二聚体互作 • 与非同源性末端接合(Non-homologous end joining, NHEJ)和同源重组（Homologous Recombination)等方法结合使用 • 同源二聚体或单一ZFN单元的结合造成非特 异性酶切，即脱靶效应（off-target）基因Βιβλιοθήκη 编辑技术基因组编辑技术的介绍
基因组编辑技术是一种可以在基因组 水平上对DNA序列进行改造的遗传 操作技术。 这种技术的原理是构建一个人工内切 酶，在预定的基因组位置切断DNA， 切断的DNA在被细胞内的DNA修复 系统修复过程中会产生突变，从而达 到定点改造基因组的目的。 通过修复途径，基因组编辑技术可以 实现三种基因组改造，即基因敲除， 特异突变的引入和定点转基因 基因组编辑是研究基因功能的重要手 段之一，也可被用于人类遗传性疾病 的治疗，因此这类技术成为现代分子 生物学的研究热点
• TALEN 技术是一种崭新的分子生物学工具。利用TAL的 序列模块，可组装成特异结合任意DNA序列的模块化蛋白， 从而达到靶向操作内源性基因的目的，它克服了ZFN方法 不能识别任意目标基因序列，以及识别序列经常受上下游 序列影响等问题，而具有ZFN相等或更好的灵活性，使基 因操作变得更加简单方便。 • 然而，构建过程中，TALE 分子的模块组装和筛选过程比 较繁杂，需要大量的测序工作。对于普通实验室的可操作 性较低。
Fok I
Structure of the FokI dimer
Origin： bacterium Flavobacterium okeanokoites海床黄杆菌
由一个N-端DNA识别域和C端剪切域组 成
FokI 二聚化才有剪切活性
Tale nucleases (TALENs): hybrid proteins composed of TAL effectors and FokI DNA-cleavage domain