【科学范儿】带有基因剪刀的工具猪中科馆带你探索遗传的奥秘日前

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日前，我国科学家成功培育出带有基因剪刀的工具猪，率先实现了直接对成体大动物进行体内基因编辑，大大提高了对猪进行基因修饰的效率，向异种器官移植迈出了新的一步。厉害了，小编已经忍不住要为科学家们打call了！！

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我国培育出带有基因剪刀的工具猪

（图片来源于网络）

那么问题来了，什么是基因剪刀呢？这把“剪刀”又能发挥什么样的作用呢？今天小编就带大家一起来了解一下基因剪刀中蕴含的遗传奥秘。

什么是基因？

有时候我们会说，某某长的真漂亮，遗传了爸爸妈妈的优秀基因。那么基因是什么呢？

基因是具有遗传效应的DNA片段，是控制生物性状的基本遗传单位。对于大多数生物来说，DNA是主要的遗传物质（少数病毒没有DNA，RNA是它们的遗传物质）。DNA是由两条脱氧核苷酸链构成的稳定双螺旋结构，骨架由脱氧核糖和磷酸交替连接而成，骨架内侧由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）这4种碱基组成。两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基配对有一定的规律：A一定与T配对，C一定与G配对，这种碱基之间的一一对应关系叫做碱基互补配对原则。说起来有点不容易理解，我们还是来看看科学家为DNA所做的“画像”吧！

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DNA 结构示意图

（图片来源于网络）

现在是不是对DNA和碱基对都有更直观的了解了？而我们所说的遗传信息，就蕴藏在这四种碱基的排列顺序之中。每个基因含有成百上千个脱氧核苷酸，不同基因的脱氧核苷酸排列顺序（碱基序列）千变万化，这就像是一个很长很长的密码锁（比如AAAGTCTGAC……），不同的字母顺序锁着不同的遗传信息。因此，不同的基因就含有不同的遗传信息。

什么是基因剪刀？

基因剪刀又称为限制性核酸内切酶或核酶、限制酶，它可以识别特定的核苷酸序列，并对每条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键进行切割^[1]。简单地说，基因剪刀就像是一把能识别基因位置的剪刀，当它碰到DNA序列中它认识的位置，便能够将这个特定的位置剪断。例如，大肠杆菌中的一种叫做EcoRI的限制酶，能够专一识别GAATTC的序列，只要是遇上这一序列，就能大显身手，在G和A之间将这段序列切开（如下图所示）。

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EcoRI 酶作用示意图

（图片来源于网络）

为什么要将基因剪刀加入猪的体内？

简单的来说，这么做的目的是为了医学研究，尤其是针对一些大型疾病如癌症等的研究。研究人员尝试让动物得上人类会得的病，再在动物身上测试不同的治疗方法。比如在猪的体内放入“基因剪刀”，让它切开抑制癌症的基因，从而让猪得上肺癌。于是研究人员利用基因打靶技术，成功地将能够剪开基因的Cas9蛋白基因（也就是基因剪刀）插入到猪基因组的一个特定位点，并且为这把基因剪刀加上了一个“开关”，可以控制其剪切功能的开或关。这样，研究人员就能按照研究的需要随时控制这把基因剪刀，让它在需要的时候剪开猪抑制癌症的基因，从而进行下一步的医学研究。

那么为什么要选择猪来加入基因剪刀呢？这是因为猪在器官大小、结构以及免疫系统、生理代谢等方面与人比较接近，被普遍认为是理想的大动物疾病模型、异种器官移植供体模型和异种器官再造受体模型。这些疾病模型猪可以用来筛选癌症药物、筛选抗病毒等更好的基因，在农业、生物医药上有重要的应用价值^[2]。

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带有基因剪刀的工具猪

（图片来源于网络）

基因剪刀与基因工程

迄今为止，人们已经发现和鉴定出400多种限制性内切酶，有了这些形形色色的“基因剪刀”，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。DNA重组、DNA 序列分析、制备DNA探针、基因定位等都需要用到限制性内切酶，在基因医疗、基因制药、转基因和克隆操作中都离不开它。

两种来源不同的DNA用同种限制酶切割后，末端可以相互黏合，但是这种黏合只能使互补的碱基连接起来，脱氧核糖和磷酸交替连接而构成的DNA骨架上的缺口，则需要用DNA连接酶来“缝合”，这就相当于基因的“针线”。

要将外源基因送入受体细胞，还需要有专门的“运输工具”，这就是运载体。目前常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。

有了基因的“剪刀”、“针线”和运载体，人们就可以按照自己的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传形状，这就是“基因工程”。比如我们可以将人的胰岛素基因转入大肠杆菌内，在实验室中培养大肠杆菌就能够大量合成人胰岛素，用来治疗糖尿病等疾病，不仅降低了生产成本，而且产生的胰岛素质量还特别高，简直不能更赞了！

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基因工程的基本操作步骤示意图

（图片来源于网络）

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参考资料：

[1]百度百科:限制性核酸内切酶

[2]南方都市报，插入基因剪刀获得猪肺癌模型-中科院广州生物院培育出世界首例带基因剪刀的工具猪，阳广霞，2017年11月25日

中国科学技术馆展览教育中心高梦玮供稿

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