资源简介

(共32张PPT)
生物科技进展 基因组编辑
1 生命观念
结合治疗白血病案例，理解基因组编辑技术的研究意义。
3 科学探究
通过模型建构，尝试应用CRISPR/Cas9解决问题。
核心素养目标
2 科学思维
通过阅读资料，归纳和概括出概念。
4 社会责任
分析CRISPR/Cas9的优缺点，认同CRISPR/Cas9应用前景。
1 认识基因组编辑技术
3 CRISPR/Cas9系统的应用
学 习 任 务
2 CRISPR/Cas9系统的原理
4 CRISPR/Cas9系统的优缺点
5 基因组编辑技术的发展前景
问题探讨：基因组编辑技术成功治愈了白血病，那什么是基因组编辑呢？
资料：2022年英国一家医院，通过基因组编辑完成了一项生物工程壮举，重新引导免疫系统来对抗癌症，成功治愈了患有急性T淋巴细胞白血病的女孩艾莉莎。
创设情景
1.基因组编辑的概念：
通过精确识别靶细胞DNA片段中靶点的核苷酸序列，利用核酸内切酶对DNA靶点序列进行切割，从而完成对靶细胞DNA目的基因片段的精确编辑。
任务1：认识基因组编辑技术
2.基因组编辑的发展历程：
一代：ZFN(锌指核酸酶）,1996年；
二代：TALEN(类转录激活因子效应物核酸酶),2011年
三代：CRISPR/Cas(成簇规律间隔短回文重复技术),2012年；
杜德娜和卡彭蒂耶
任务1：认识基因组编辑技术
应用最广泛的技术:CRISPR/Cas9系统
张锋
3.CRISPR/Cas9系统的发现：
任务1：认识基因组编辑技术
CRISPR
Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
嗜热链球菌
天然的CRISPR/Cas9系统
人工改造后的CRISPR/Cas9系统
3.CRISPR/Cas9系统的发现：
任务1：认识基因组编辑技术
组 分 功 能
短链RNA
核酸酶Cas9
作为“向导”,部分序列通过碱基互补配对,与目的基因中希望被编辑的DNA序列结合
与短链RNA结合,切割与向导RNA结合的DNA,使DNA双链断裂
阅读课本 P85 的相关内容，填写下表
自主学习
4.CRISPR/Cas9系统的组成和功能
任务1：认识基因组编辑技术
任务1：认识基因组编辑技术
思考1 如何设计sgRNA片段呢？
1.向导 RNA 的识别序列可通过______________（原则）与相应 DNA 结合。若 α 链剪切点附近序列为…TCCTGAATC…，则向导RNA的识别序列为 ___________________________。
跟踪练习
CRISPR-Cas9 基因编辑系统由单链向导RNA 和 Cas9 蛋白组成，其中向导 RNA的碱基序列可以人为任意设计，当其与目标 DNA上某序列发生局部互相结合时，Cas9 蛋白就可以切断此处的 DNA 序列（如右图）。请分析回答∶
碱基互补配对
…UCCUGAAUC…
任务2 CRISPR/Cas9系统的原理
思考2 观看视频，CRISPR/Cas9系统的原理包括几个过程？
原理：①sgRNA引导的Cas9靶向DNA切割
②DNA修复
任务2 CRISPR/Cas9系统的原理
1.DNA的切割
①构建sgRNA，其中一段序列和目标DNA相匹配
②将sgRNA附着在通用的“切割蛋白”Cas上，创建CRISPR工具
③将CRISPR工具引入目标细胞，sgRNA会找到与其匹配的DNA序列。
④Cas9蛋白将DNA双链从某个位点剪断
非同源末端接合 (NHEJ)
同源介导的修复(HDR)
任务2 CRISPR/Cas9系统的原理
2.DNA的修复
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
应用1：用于有缺陷基因的纠正
2013年10月，来自上海生命科学院的李劲松（Jinsong Li）研究员领导研究小组，利用 CRISPR/Cas9 取代了引起小鼠白内障的一个单碱基对突变。研究人员设计了一种sg RNA 将 Cas9 引导到突变等位基因处，诱导了 DNA 切割。随后他们利用其它野生型等位基因或寡核苷酸向受精卵提供修复机制，纠正了有缺陷的等位基因序列。
资料1
思考3 结合下列资料1-3，归纳出 CRISPR/Cas9 的应用。
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
应用2：用于定点突变
2023年8月15日，来自哈佛医学院的Tao等人，
利用CRISPR-Cas9基因组编辑技术，对耳聋相关基因突变位点进行编辑，使得小鼠模型部分听力恢复，相关研究已发表在nature communications。
资料2
CRISPR-Cas9核糖核蛋白体内递送治疗单双基因显性遗传性听力损失
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
应用3：用于基因敲除
2023年9月7日，中科院广州生物医学与健康研究院赖良学研究员、戴祯研究员等在 Cell 子刊 Cell Stem Cell 上发表的研究论文,发现通过胚胎互补诱导多能干细胞可以在猪体内产生人源化中肾。该团队技术的第一步就是利用CRISPR基因组编辑技术对单细胞猪胚胎进行改造，使其肾脏发育所需的两个基因缺失。
资料3
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
CRISPR/Cas9系统用于基因敲除的流程
材料：剪刀、Cas9卡纸模型、sgRNA纸带和目的基因纸带
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
模型建构活动
sgRNA
...AUUUACGUC...
...TAAATGCAG...
目的基因
结果展示：
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
...AUUUACGUC...
模型建构活动
①Cas9蛋白和sgRNA结合
结果展示：
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
...AUTTACGTC...
模型建构活动
②CRISPR工具与目的基因结合
...AUUUACGUC...
...TAAATGCAG...
结果展示：
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
模型建构活动
③Cas9蛋白剪切DNA双链
结果展示：
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
模型建构活动
④DNA修复
基因失活
任务3 CRISPR/Cas9系统的应用
模型建构活动
④DNA修复
①Cas9蛋白和
sgRNA结合
...AUUUACGUC...
②CRISPR工具
与目的基因结合
...TAAATGCAG...
...AUTTACGTC...
...AUUUACGUC...
...TAAATGCAG...
③Cas9蛋白剪
切DNA双链
基因失活
任务4 CRISPR/Cas9系统的优缺点
资料4
方法 靶标 质粒构建 基因敲除 基因定点突变或多点突变 基因组改变 遗传密码子改变 遗传性
CRISPR DNA序列 简单 yes yes yes yes yes
TALEN DNA序列 复杂 yes yes yes yes yes
优点1：操作简单。
思考4 结合下列资料4-7，分析 CRISPR/Cas9 的
优缺点有哪些？
斑马鱼
线虫
果蝇
水稻
猴子
资料5
优点2：可应用于任何物种
任务4 CRISPR/Cas9系统的优缺点
资料6
缺点1：CRISPR/Cas9存在一定的脱靶效应
任务4 CRISPR/Cas9系统的优缺点
正常情况下，sgRNA通过20个核苷酸序列与目标DNA序列发生碱基互补配对，准确识别需要编辑的位点；然而有时会发生第18~20个碱基不匹配的情况，所以sgRNA很容易结合到和靶序列相似的序列上，并对非靶序列进行切割，这称为脱靶。这可能会导致Cas9 在错误的基因位点切割双链DNA，从而引发潜在风险。
资料7
缺点2：对人类基因进行“改造”时,
可能存在伦理道德问题。
任务4 CRISPR/Cas9系统的优缺点
婴儿基因组编辑
2018年12月，中国生物学家贺建奎曾公开宣布，世界上首例基因编辑婴儿已在中国诞生。他利用CRISPR/Cas9技术对人胚进行了基因组编辑，使一对双胞胎女婴获得天然抵抗艾滋病的能力。
任务5 基因组编辑技术的发展前景
01
02
03
04
05
06
细菌，哺乳动物
干细胞的定点突变
多基因 打靶
斑马鱼
拟南芥
靶序列互补
治疗人类疾病
07
任务5 基因组编辑技术的发展前景
01
02
03
04
05
06
细菌，哺乳动物
干细胞的定点突变
多基因 打靶
斑马鱼
拟南芥
靶序列互补
治疗人类疾病
07
历史首次！英国女孩通过基因组编辑治好白血病对抗癌症
1.基础测评
运用本课所学的知识，完成5道单选题，1道非选择题。
2.拓展提升
请同学们在课外继续查阅资料，搜集一些基因组编辑技术在现实生活中的应用，比如该技术还能用于哪些疾病的治疗？
课后测评，拓展提升
总结学习成果

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