问题

人体有没有本身就支持基因编辑?

回答
人体本身并没有“支持”基因编辑的固有机制,就像你不会发现身体自带一把手术刀一样。基因编辑,如CRISPRCas9技术,是人类智慧的产物,是外部引入的工具和方法。

但是,如果我们从更广阔的视角来看待“支持”,那么人体确实存在一些与基因编辑 高度相关 的生理过程和分子机制,这些机制在自然界中扮演着至关重要的角色,而基因编辑技术正是巧妙地利用或模仿了它们。你可以把这理解为,人体本身就像一个高度复杂的“实验室”,拥有许多可以被基因编辑技术“借用”和“操纵”的“设备”和“原材料”。

以下是一些人体内与基因编辑密切相关的方面,我会尽量详细地解释:

1. DNA修复机制:身体自我校正的“工具箱”

这是最核心也是最直接的联系。细胞内始终在进行DNA修复,以应对环境因素(如紫外线辐射、化学物质)或复制错误造成的损伤。这些修复机制就是我们身体自带的“基因编辑”原型。

核苷酸切除修复 (Nucleotide Excision Repair, NER): 当DNA的碱基结构被大块损伤改变时(例如UV损伤导致的嘧啶二聚体),NER通路会被激活。它能识别损伤区域,切除受损的DNA片段,然后使用细胞自身的DNA聚合酶和连接酶来填充和修补空白处,确保基因序列的准确性。
与基因编辑的联系: CRISPRCas9等技术引入双链断裂后,细胞就会启动自身的DNA修复机制来关闭这个断裂。这正是基因编辑实现基因“编辑”的关键环节。用户通过引入的DNA模板,可以引导细胞在修复过程中插入或替换特定的基因序列。

碱基切除修复 (Base Excision Repair, BER): 如果DNA的单个碱基发生氧化、烷基化或脱氨基等损伤,BER通路就会介入。它能识别并移除受损的碱基,然后DNA糖苷酶切断DNA骨架,再由DNA聚合酶填补新的碱基,最后由DNA连接酶将缺口连接起来。
与基因编辑的联系: BER通路虽然主要处理单碱基错误,但它展示了细胞如何精确地识别和替换DNA上的特定位置。理论上,更精密的基因编辑工具可能利用或模拟这类机制来处理更细微的改变。

同源重组修复 (Homologous Recombination Repair, HRR): 这是最精确的DNA双链断裂修复方式,尤其发生在细胞分裂的S期和G2期。它需要一个与损伤区域同源的DNA模板(通常是姊妹染色单体),通过复杂的酶促反应将模板上的正确序列“复制”到损伤位点。
与基因编辑的联系: 这是CRISPRCas9等基于双链断裂的基因编辑技术最常利用的修复途径。当我们在引入双链断裂的同时,也提供一个带有我们期望的修改序列的DNA模板,细胞就会优先通过HRR机制,将模板中的序列整合到断裂处。这就像告诉身体:“这里有个洞,用这个图纸来补吧!”

非同源末端连接 (NonHomologous End Joining, NHEJ): 这是另一种修复DNA双链断裂的方式,也是最常见的一种。它不需要同源模板,而是直接将断裂的DNA末端连接起来。这个过程相对粗糙,可能会在连接处引入小的插入或缺失(indel),导致基因的失活。
与基因编辑的联系: NHEJ是CRISPRCas9技术最常诱导的修复方式,尤其是在没有提供修复模板时。这种“简单粗暴”的修复方式常被用来“敲除”基因,因为引入的indel很可能导致功能丧失。

2. 自身的“DNA编辑”分子:限制性内切酶的远亲

虽然人体内没有直接像CRISPRCas9那样高效、特异性强的DNA切割酶来“编辑”基因,但细菌和古细菌中存在着限制性内切酶 (Restriction Endonucleases)。这些酶可以识别并切割特定的DNA序列,是细菌防御外来DNA(如病毒DNA)的重要机制。

与基因编辑的联系: CRISPRCas9系统的核心,Cas9蛋白,本质上是一种核酸酶。它被引导RNA(gRNA)精确地导向目标DNA序列,然后切割。从功能的角度看,CRISPRCas9可以被视为一种从细菌领域“借鉴”来的、经过工程改造的更高级的“限制性内切酶”。人体内的基因修复机制,正是响应了这种“切割”信号,并进行后续的“编辑”。

3. 染色体结构和组装:天然的“基因组管理系统”

人体染色体并不是一堆杂乱无章的DNA,而是经过高度组织化的结构。DNA被包裹在组蛋白周围,形成核小体,再进一步折叠成染色质,最终形成紧密的染色体。这种结构对基因的表达和调控至关重要。

与基因编辑的联系: 染色质的开放程度会影响基因编辑工具到达目标DNA位点的效率。更开放的染色质区域(真染色质)更容易被CRISPRCas9等进入,而紧密的异染色质区域则更难。这意味着人体的基因组组织方式间接影响了基因编辑的“可及性”和效果。研究人员也利用这些天然结构来优化基因编辑的靶向性。

4. 基因表达调控网络:身体的“开关”和“调节器”

人体内有无数的转录因子、激活子、抑制子等蛋白质,它们能够识别特定的DNA序列,并控制基因的开启或关闭,或者调节基因的表达水平。

与基因编辑的联系: 基因编辑的目的很多时候是为了改变基因的表达。例如,通过插入一段调控序列或突变一个重要的调控区域,来影响下游基因的表达。人体原有的基因表达调控系统,正是基因编辑想要去“影响”或“模仿”的目标。例如,将一个能驱动特定细胞类型表达的启动子序列,通过基因编辑技术引入到另一个基因的前面,就能实现对该基因在特定细胞中的表达调控。

总结来说:

人体本身并没有直接“支持”基因编辑的特定工具或机制,就像你不会指望人体自带一把能精确切割DNA的“剪刀”。但是,人体细胞拥有极其精妙的DNA修复系统,这些系统是生物体维持基因组稳定性的基石,也是基因编辑技术得以发挥作用的关键。基因编辑技术,尤其是CRISPRCas9,是通过人为引入特定的“分子工具”(如Cas9酶和引导RNA)来触发这些天然的修复过程,并借此机会对DNA序列进行修改。

所以,与其说人体“支持”基因编辑,不如说人体 拥有天然的生理机制,可以被外部引入的基因编辑工具所利用和调控。人体就像一个准备就绪的“舞台”,基因编辑技术是“演员”,而DNA修复是精彩的“剧情发展”。

网友意见

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“人体本身就有编辑基因的接口,只是我们自己并不知道”是假命题。人有能在实验动物体内发挥逆转录酶作用的酶,逆转录病毒整合进人类基因组更是稀松平常的事。

哺乳动物细胞有 14 种已知的 DNA 聚合酶,其中只有三种负责复制整个基因组来支持细胞分裂。其余 11 种 DNA 聚合酶,包括聚合酶 θ,主要参与 DNA 链断裂或出错时的检测和修复。

此前,人们知道哺乳动物细胞有至少三种途径修复断裂的 DNA 链、提高基因组稳定性:

  • 非同源末端连接;
  • 同源重组;
  • 微同源介导的末端连接。

聚合酶 θ 是 DNA 聚合酶-解旋酶融合蛋白,在细胞内的已知功能是促进微同源介导的末端连接,但在执行该功能时经常出错,并有一个非活跃的校对域,这项特征与逆转录酶相似。研究人员推测它可以执行逆转录酶的功能,并设计实验进行验证。

实验显示,聚合酶 θ 在根据 RNA 模板制造 DNA 时的出错率会比根据 DNA 模板制造 DNA 要低,催化前者的效率比后者高,前者的反应速度接近 HIV 使用的逆转录酶。这似乎建立在聚合酶 θ 非凡的结构可塑性上,它可以改变结构来有效对应多种模板,可以在其活性位点内容纳完整的 RNA-DNA 杂交体,这是 HIV 使用的逆转录酶所不具备的特性。

研究人员由此推断聚合酶 θ 在哺乳动物细胞内可能参与 RNA 介导的 DNA 修复,并在小鼠身上进行了实验验证。结论是,聚合酶 θ 能在小鼠体内参与 RNA 介导的 DNA 修复。这项功能也许可以对策“在 DNA 链里混入 RNA 的错误”,提高细胞对这种错误的耐受性。

人体内有聚合酶 θ,你可以推测它能在人体内发挥逆转录功能。

  • 聚合酶 θ 在癌细胞中大量表达,可能发挥其功能促进癌细胞的生长,可能关系到癌细胞对涉及已知 DNA 修复机制的药物的耐药性。下一步可以进行相关研究,看看聚合酶 θ 是否有必要作为抗癌药的新靶点。
  • 这机制也可能允许非逆转录病毒的片段、细菌基因碎片等被人类基因组整合。

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