Thành viên:Naazulene/Gene knockout

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Gene knockout, một kĩ thuật phổ biến trong công nghệ gen, là nhắm đích rồi cắt bỏ hoặc bất hoạt một đoạn gene cụ thể trong hệ gene sinh vật. Một số phương pháp bao gồm trong kĩ thuật này là tái tổ hợp tương đồng, CRISPR/Cas9TALENs.

Một tác dụng (chính) của gene knockout là giúp nghiên cứu chức năng của một gene trong tế bào sống, cũng như vai trò của gene đó trong sự sinh trưởng, phát triển, sinh bệnh. Bằng cách nghiên cứu kiểu hình của những sinh vật có gene đã bị knock out (loại bỏ), các nhà khoa học có thể hiểu hơn về những quá trình sinh lí mà gene đó tham gia.

Có hai kiểu gene knockout: hoàn toàn và có điều kiện. Gene knockout hoàn toàn làm gen đó bất hoạt vĩnh viễn, trong khi gene knockout có điều kiện cho phép gene được "tắt" và "bật" trong những giai đoạn cụ thể, ở những mô cụ thể. Gene knockout có điều kiện nói riêng được sử dụng khi nghiên cứu những quá trình phát triển liên qua đến một kiểu gene hoặc mô cụ thể.

Gen knockout đã được sử trên nhiều nhóm sinh vật, bao gồm vi khuẩn, nấm men, ruồi giấm, cá sọc vằn và chuột. Đối với chuột, gene knockout được sử dụng trong nghiên cứu về phát triển, sinh lí, và ung thư.

There are two main types of gene knockouts: complete and conditional. A complete gene knockout permanently inactivates the gene, while a conditional gene knockout allows for the gene to be turned off and on at specific times or in specific tissues. Conditional knockouts are particularly useful for studying developmental processes and for understanding the role of a gene in specific cell types or tissues.

Gene knockouts have been widely used in many different organisms, including bacteria, yeast, fruit flies, zebrafish, and mice. In mice, gene knockouts are commonly used to study the function of specific genes in development, physiology, and cancer research.

The use of gene knockouts in mouse models has been particularly valuable in the study of human diseases. For example, gene knockouts in mice have been used to study the role of specific genes in cancer, neurological disorders, immune disorders, and metabolic disorders.

However, gene knockouts also have some limitations. For example, the loss of a single gene may not fully mimic the effects of a genetic disorder, and the knockouts may have unintended effects on other genes or pathways. Additionally, gene knockouts are not always a good model for human disease as the mouse genome is not identical to the human genome, and mouse physiology is different from human physiology.

The KO technique is essentially the opposite of a gene knock-in. Knocking out two genes simultaneously in an organism is known as a double knockout (DKO). Similarly the terms triple knockout (TKO) and quadruple knockouts (QKO) are used to describe three or four knocked out genes, respectively. However, one needs to distinguish between heterozygous and homozygous KOs. In the former, only one of two gene copies (alleles) is knocked out, in the latter both are knocked out.

Phương pháp[sửa | sửa mã nguồn]

Có rất nhiều kĩ thuật có thể được sử dụng để knock out một gene. Ban đầu, những đột biến

Knockouts are accomplished through a variety of techniques. Originally, naturally occurring mutations were identified and then gene loss or inactivation had to be established by DNA sequencing or other methods.[1]

A laboratory mouse in which a gene affecting hair growth has been knocked out (left), is shown next to a normal lab mouse.

Gene knockout qua đột biến[sửa | sửa mã nguồn]

Gene knockout bằng đột biến là tạo đột biến để bất hoạt gen.[2]

Kĩ thuật này được sử dụng nhiều ở vi khuẩn. Một ví dụ tiên phong của kĩ thuật này (có đối tượng là E.coli) được xuất bản vào 1989 bởi Hamilton, et al.[3] Trong thí nghiệm này, hai tái tổ hợp trình tự được sử dụng để xóa gen. Nghiên cứu này cho thấy tính khả thi của việc thêm hoặc bớt một gen chức năng ở vi khuẩn.

Sau đó, kĩ thuật này được phát triển cho những sinh vật khác, cụ thể là ở động vật như chuột. Gene knockout ở chuột được dùng nhiều để nghiên cứu những gen cũng có gen tương tự ở người, đặc biệt là những gen có thể gây bệnh. Một ví dụ của gen knockout ở chuột là nghiên cứu vai trò của protein Xirp trong bệnh SUNDS (Sudden Unexplained Nocturnal Death Syndrome - Hội chứng tử vong đột ngột về đêm không rõ nguyên nhân) và hội chứng Brugada trong quần thể người Hán ở Trung Quốc.[4]

Làm câm gene[sửa | sửa mã nguồn]

RNAi (RNA interference - quấy rầy RNA), còn được gọi là làm câm gene, đang càng ngày càng phổ biến. Trong RNAi, các phân tử mRNA của gene cụ thể bị bất hoạt bởi siRNA (small interfering RNA - RNA quấy rầy nhỏ) hoặc shRNA (RNA kẹp tóc nhỏ). Điều này làm

For gene knockout investigations, RNA interference (RNAi), a more recent method, also known as gene silencing, has gained popularity. In RNA interference (RNAi), messenger RNA for a particular gene is inactivated using small interfering RNA (siRNA) or short hairpin RNA (shRNA). This effectively stops the gene from being expressed. Oncogenes like Bcl-2 and p53, as well as genes linked to neurological disease, genetic disorders, and viral infections, have all been targeted for gene silencing utilizing RNA interference (RNAi).[cần dẫn nguồn]

Tái tổ hợp tương đồng[sửa | sửa mã nguồn]

Tái tổ hợp tương đồng là sự trao đổi giữa hai đoạn DNA có vùng nối dài giống hệt nhau (ví dụ ABCXXXDEF và ABCYYYDEF, trong đó đoạn XXX và YYY được trao đổi). Đối với tế bào nhân thực, vi khuẩn và một số virus, tái tổ hợp tương đồng diễn ra một cách tự nhiên và đã trở thành một công cụ hữu dụng trong công nghệ gen. Ở tế bào nhân thực, tái tổ hợp tương đồng mang vai trò quan trọng trong việc sửa chữa các DSB (double strand break - gãy mạch đôi) và làm đa dạng biến dị di truyền qua "hoán vị" (bắt chéo trao đổi đoạn) trong giảm phân.

Homologous recombination, a key DNA repair mechanism in bacteria, enables the insertion of genetic material acquired through horizontal transfer of genes and transformation into DNA. Homologous recombination in viruses influences the course of viral evolution. Homologous recombination, a type of gene targeting used in genetic engineering, involves the introduction of an engineered mutation into a particular gene in order to learn more about the function of that gene. This method involves inserting foreign DNA into a cell that has a sequence similar to the target gene while being flanked by sequences that are the same upstream and downstream of the target gene. The target gene's DNA is substituted with the foreign DNA sequence during replication when the cell detects the similar flanking regions as homologues. The target gene is "knocked out" by the exchange. By using this technique to target particular alleles in embryonic stem cells in mice, it is possible to create knockout mice. With the aid of gene targeting, numerous mouse genes have been shut down, leading to the creation of hundreds of distinct mouse models of various human diseases, such as cancer, diabetes, cardiovascular diseases, and neurological disorders.[cần dẫn nguồn] Mario Capecchi, Sir Martin J. Evans, and Oliver Smithies performed groundbreaking research on homologous recombination in mouse stem cells, and they shared the 2007 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their findings.[5] Traditionally, homologous recombination was the main method for causing a gene knockout. This method involves creating a DNA construct containing the desired mutation. For knockout purposes, this typically involves a drug resistance marker in place of the desired knockout gene.[6] The construct will also contain a minimum of 2kb of homology to the target sequence. The construct can be delivered to stem cells either through microinjection or electroporation. This method then relies on the cell's own repair mechanisms to recombine the DNA construct into the existing DNA. This results in the sequence of the gene being altered, and most cases the gene will be translated into a nonfunctional protein, if it is translated at all. However, this is an inefficient process, as homologous recombination accounts for only 10−2 to 10−3 of DNA integrations.[6][7] Often, the drug selection marker on the construct is used to select for cells in which the recombination event has occurred.

Wild-type Physcomitrella and knockout mosses: Deviating phenotypes induced in gene-disruption library transformants. Physcomitrella wild-type and transformed plants were grown on minimal Knop medium to induce differentiation and development of gametophores. For each plant, an overview (upper row; scale bar corresponds to 1 mm) and a close-up (bottom row; scale bar equals 0.5 mm) are shown. A: Haploid wild-type moss plant completely covered with leafy gametophores and close-up of wild-type leaf. B–E: Different mutants.[8]

These stem cells now lacking the gene could be used in vivo, for instance in mice, by inserting them into early embryos. If the resulting chimeric mouse contained the genetic change in their germline, this could then be passed on offspring.[6]

In diploid organisms, which contain two alleles for most genes, and may as well contain several related genes that collaborate in the same role, additional rounds of transformation and selection are performed until every targeted gene is knocked out. Selective breeding may be required to produce homozygous knockout animals.

Site-specific nucleases[sửa | sửa mã nguồn]

Frameshift mutation resulting from a single base pair deletion, causing altered amino acid sequence and premature stop codon

There are currently three methods in use that involve precisely targeting a DNA sequence in order to introduce a double-stranded break. Once this occurs, the cell's repair mechanisms will attempt to repair this double stranded break, often through non-homologous end joining (NHEJ), which involves directly ligating the two cut ends together.[7] This may be done imperfectly, therefore sometimes causing insertions or deletions of base pairs, which cause frameshift mutations. These mutations can render the gene in which they occur nonfunctional, thus creating a knockout of that gene. This process is more efficient than homologous recombination, and therefore can be more easily used to create biallelic knockouts.[7]

Zinc-fingers[sửa | sửa mã nguồn]

Zinc-finger nucleases consist of DNA binding domains that can precisely target a DNA sequence.[7] Each zinc-finger can recognize codons of a desired DNA sequence, and therefore can be modularly assembled to bind to a particular sequence.[9] These binding domains are coupled with a restriction endonuclease that can cause a double stranded break (DSB) in the DNA.[7] Repair processes may introduce mutations that destroy functionality of the gene.[cần dẫn nguồn]

TALENS[sửa | sửa mã nguồn]

Transcription activator-like effector nucleases (TALENs) also contain a DNA binding domain and a nuclease that can cleave DNA.[10] The DNA binding region consists of amino acid repeats that each recognize a single base pair of the desired targeted DNA sequence.[9] If this cleavage is targeted to a gene coding region, and NHEJ-mediated repair introduces insertions and deletions, a frameshift mutation often results, thus disrupting function of the gene.[10]

CRISPR/Cas9[sửa | sửa mã nguồn]

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) is a genetic engineering technique that allows for precise editing of the genome. One application of CRISPR is gene knockout, which involves disabling or "knocking out" a specific gene in an organism.[cần dẫn nguồn]

The process of gene knockout with CRISPR involves three main steps: designing a guide RNA (gRNA) that targets a specific location in the genome, delivering the gRNA and a Cas9 enzyme (which acts as a molecular scissors) to the target cell, and then allowing the cell to repair the cut in the DNA. When the cell repairs the cut, it can either join the cut ends back together, resulting in a non-functional gene, or introduce a mutation that disrupts the gene's function.

This technique can be used in a variety of organisms, including bacteria, yeast, plants, and animals, and it allows scientists to study the function of specific genes by observing the effects of their absence. CRISPR-based gene knockout is a powerful tool for understanding the genetic basis of disease and for developing new therapies.

It is important to note that CRISPR-based gene knockout, like any genetic engineering technique, has the potential to produce unintended or harmful effects on the organism, so it should be used with caution.[9][11] The coupled Cas9 will cause a double stranded break in the DNA.[9] Following the same principle as zinc-fingers and TALENs, the attempts to repair these double stranded breaks often result in frameshift mutations that result in an nonfunctional gene.[9] Non invasive CRISPR-Cas9 technology has successfully knocked out a gene associated in depression and anxiety in mice, being the first successful delivery passing through the blood–brain barrier to enable gene modification.[12]

Knock-in[sửa | sửa mã nguồn]

Gene knock-in is similar to gene knockout, but it replaces a gene with another instead of deleting it.[cần dẫn nguồn]

Types[sửa | sửa mã nguồn]

Conditional knockouts[sửa | sửa mã nguồn]

A conditional gene knockout allows gene deletion in a tissue in a tissue specific manner. This is required in place of a gene knockout if the null mutation would lead to embryonic death,[13] or a specific tissue or cell type is of specific interest. This is done by introducing short sequences called loxP sites around the gene. These sequences will be introduced into the germ-line via the same mechanism as a knockout. This germ-line can then be crossed to another germline containing Cre-recombinase which is a viral enzyme that can recognize these sequences, recombines them and deletes the gene flanked by these sites.[cần dẫn nguồn]

Genes not involved in early development have been effectively studied using knockout approaches that use gene deletion. However, it is typically not possible to knock off genes that are active during early development without the organism suffering a fatal outcome. One method around this is conditional knockout. Utilizing a site-specific recombinase called Cre, the original conditional knockout technique recombined short target sequences known as LoxP. Since then, other recombinases have been created and employed in conditional knockout experiments.[cần dẫn nguồn]

Use[sửa | sửa mã nguồn]

A knockout mouse (left) that is a model of obesity, compared with a normal mouse

Knockouts are primarily used to understand the role of a specific gene or DNA region by comparing the knockout organism to a wildtype with a similar genetic background.[cần dẫn nguồn]

Knockout organisms are also used as screening tools in the development of drugs, to target specific biological processes or deficiencies by using a specific knockout, or to understand the mechanism of action of a drug by using a library of knockout organisms spanning the entire genome, such as in Saccharomyces cerevisiae.[14]

See also[sửa | sửa mã nguồn]

References[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Griffiths AJ, Miller JH, Suzuki DT, Lewontin WC, Gelbart WM (2000). An Introduction to Genetic Analysis (ấn bản 7). New York: W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3771-1.
  2. ^ “Gene Knockout | IDT”. Integrated DNA Technologies (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2024.
  3. ^ Hamilton CM, Aldea M, Washburn BK, Babitzke P, Kushner SR (tháng 9 năm 1989). “New method for generating deletions and gene replacements in Escherichia coli. Journal of Bacteriology. 171 (9): 4617–4622. doi:10.1128/jb.171.9.4617-4622.1989. PMC 210259. PMID 2548993.
  4. ^ Huang, Lei; và đồng nghiệp (tháng 1 năm 2018). “Critical Roles of Xirp Proteins in Cardiac Conduction and Their Rare Variants Identified in Sudden Unexplained Nocturnal Death Syndrome and Brugada Syndrome in Chinese Han Population”. J. Am. Heart Assoc. 7 (1). doi:10.1161/JAHA.117.006320.
  5. ^ “The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2007”. The Nobel Foundation. Truy cập ngày 15 tháng 12 năm 2008.
  6. ^ a b c Hall, Bradford; Limaye, Advait; Kulkarni, Ashok B. (1 tháng 9 năm 2009). “Overview: Generation of Gene Knockout Mice”. Current Protocols in Cell Biology. Wiley-Blackwell. 44: Unit 19.12 19.12.1–17. doi:10.1002/0471143030.cb1912s44. ISBN 978-0471143031. PMC 2782548. PMID 19731224.
  7. ^ a b c d e Santiago, Yolanda; Chan, Edmond; Liu, Pei-Qi; Orlando, Salvatore; Zhang, Lin; Urnov, Fyodor D.; Holmes, Michael C.; Guschin, Dmitry; Waite, Adam (15 tháng 4 năm 2008). “Targeted gene knockout in mammalian cells by using engineered zinc-finger nucleases”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (15): 5809–5814. doi:10.1073/pnas.0800940105. ISSN 0027-8424. PMC 2299223. PMID 18359850.
  8. ^ Egener T, Granado J, Guitton M, Hohe A, Holtorf H, Lucht JM, và đồng nghiệp (2002). “High frequency of phenotypic deviations in Physcomitrella patens plants transformed with a gene-disruption library”. BMC Plant Biology. 2 (1): 6. doi:10.1186/1471-2229-2-6. PMC 117800. PMID 12123528.
  9. ^ a b c d e Gaj, Thomas; Gersbach, Charles A.; Barbas, Carlos F. (2013). “ZFN, TALEN, and CRISPR/Cas-based methods for genome engineering”. Trends in Biotechnology. 31 (7): 397–405. doi:10.1016/j.tibtech.2013.04.004. PMC 3694601. PMID 23664777.
  10. ^ a b Joung, J. Keith; Sander, Jeffry D. (tháng 1 năm 2013). “TALENs: a widely applicable technology for targeted genome editing”. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 14 (1): 49–55. doi:10.1038/nrm3486. ISSN 1471-0080. PMC 3547402. PMID 23169466.
  11. ^ Ni, Wei; Qiao, Jun; Hu, Shengwei; Zhao, Xinxia; Regouski, Misha; Yang, Min; Polejaeva, Irina A.; Chen, Chuangfu (4 tháng 9 năm 2014). “Efficient Gene Knockout in Goats Using CRISPR/Cas9 System”. PLOS ONE. 9 (9): e106718. Bibcode:2014PLoSO...9j6718N. doi:10.1371/journal.pone.0106718. ISSN 1932-6203. PMC 4154755. PMID 25188313.
  12. ^ “First-of-its-kind noninvasive CRISPR method knocks out anxiety gene”. New Atlas (bằng tiếng Anh). 21 tháng 6 năm 2023. Truy cập ngày 18 tháng 1 năm 2024.
  13. ^ Le, Yunzheng; Sauer, Brian (1 tháng 3 năm 2001). “Conditional gene knockout using cre recombinase”. Molecular Biotechnology. 17 (3): 269–275. doi:10.1385/MB:17:3:269. ISSN 1073-6085. PMID 11434315. S2CID 41578035.
  14. ^ “YeastDeletionWebPages”. Bản gốc lưu trữ ngày 29 tháng 9 năm 2012. Truy cập ngày 21 tháng 2 năm 2017.

External links[sửa | sửa mã nguồn]

Bản mẫu:Genetic engineering