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高考生物一轮复习(新人教新高考) 第10单元 解惑练5 CRISPRCas9技术.docx


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高考生物一轮复习(新人教新高考) 第10单元 解惑练5 CRISPRCas9技术.docx
文档介绍:
解惑练5 CRISPR/Cas9技术
1.CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理
(1)CRISPR/Cas9是细菌的一种后天免疫防御机制——CRISPR序列示意图如下(其中,菱形框表示高度可变的间隔序列,正方形表示相对保守的重复序列),其中的“间隔序列”来源于病毒或外源质粒的一小段DNA,是细菌对这些外来入侵者的“记录”。
(2)病毒或外源质粒上存在“原间隔序列”,“间隔序列”正是与它们互相对应。“原间隔序列”的选取并不是随机的,这些原间隔序列的两端向外延伸的几个碱基往往都很保守,我们称为PAM(原间隔序列临近基序)。
(3)当病毒或外源质粒DNA首次入侵到细菌体内时,细菌会对外源DNA潜在的PAM序列进行扫描识别,将临近PAM的序列作为候选的“原间隔序列”,将其整合到细菌基因组上CRISPR序列中的两个“重复序列”之间。这就是“间隔序列”产生的过程。
(4)当外源质粒或病毒再次入侵宿主菌时,会诱导CRISPR序列的表达。同时,在CRISPR序列附近还有一组保守的蛋白编码基因,称为Cas基因。CRISPR序列的转录产物CRISPR RNA和Cas基因的表达产物等一起合作,通过对PAM序列的识别,以及“间隔序列”与外源DNA的碱基互补配对,来找到外源DNA上的靶序列,并对其切割,降解外源DNA。这也就实现了对病毒或外源质粒再次入侵的免疫应答。
2.CRISPR/Cas9技术的运用和发展
(1)具体运用如下图所示,在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA(指导RNA),将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中,向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列,Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。对于DNA双链的断裂这一生物事件,生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制,会将断裂上下游两端的序列连接起来,从而实现了细胞中目标基因的敲除。
(2)CRISPR/Cas9基因魔剪:当研究人员要用基因魔剪来编辑一个基因组时,他们会人工构建一个指导RNA,它与将要被切割的DNA代码相匹配。魔剪蛋白Cas9与指导RNA形成复合物,将魔剪带到基因组中将要进行切割的地方。
(3)原始的CRISPR-Cas9会由于RNA定位偏差而出现脱靶效应,现在通过改进,可以大幅降低脱靶效应。同时还发现了一些新的系统,除了最开始的Cas9,后面又找到了Cas12的一系列酶,机理上有一定不同,但还是用以切割DNA;还有Cas13则用于切割RNA。基于Cas12和Cas13的开发以及机制研究,又发展出了新的工具用于快速检测病毒,效率可以达到几分钟检测一个样品,并且用到了现在的新冠病毒检测中。
跟踪训练
1.CRISPR/Cas9是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御机制,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA,受此机制启发,科学家们研发了CRISPR/Cas9基因编辑技术,这是一种对靶向基因进行特定DNA修饰的技术,其原理是由一个向导RNA分子引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割。通过设计向导RNA中20个碱基的识别序列,可人为选择DNA上的任一目标位点进行切割(见下图)。请据图分析回答下列问题:
(1)CRISPR/Cas9基因编辑复合体中Cas9蛋白是由相应基因指导,
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