| تعداد نشریات | 27 |
| تعداد شمارهها | 487 |
| تعداد مقالات | 5,127 |
| تعداد مشاهده مقاله | 6,640,239 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 4,426,282 |
مهمترین تکنیکهای ویرایش ژن و ژنوم | ||
| مجله بیوتکنولوژی کشاورزی | ||
| دوره 18، شماره 2، خرداد 1405، صفحه 41-68 اصل مقاله (959.03 K) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22103/jab.2026.23417.1570 | ||
| نویسندگان | ||
| مختار جلالی جواران* 1؛ مریم محقق2؛ صدیقه ستایش1؛ مهسا زارعی3؛ سینا نصرت آبادی1 | ||
| 1گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران | ||
| 2گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشگده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران | ||
| 3مختار جلالی جواران، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیتمدرس، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| هدف: این مقاله مروری کلی بر تاریخچه کشف ، مکانیسم عملکرد، مزایا، محدودیت ها و چالشها، کاربردها و چشماندازهای آینده این فناوری ها ارائه می دهد تا اطلاعاتی مفید و خلاصه شده را در اختیار پژوهشگران قرار دهد. مواد و روش ها: ویرایش هدفمند ژنوم مبتنی بر ایجاد شکست دو رشتهای و به دنبال آن ترمیم رشته موردنظر از طریق مکانیسمهای ترمیمی نوترکیبی همولوگ (HDR) و یا اتصال انتهاهای غیرهمولوگ (NHEJ) است که در بسیاری از موجودات زنده جهت اهداف مختلف مورداستفاده قرار گرفته است. به منظور انجام ویرایش ژنی، اولین نوکلئاز اختصاصی MegaN بود که در سال 1985 کشف شد و پس از آن با کشف موتیف ZF، نوکلئاز ZFN و TALEN و CRISPR و Fanzor توسعه یافتند که برای ویرایش ژنوم موجودات زنده مورد استفاده قرار گرفتند. این نوکلئازها با قرارگیری روی رشته DNA و شناسایی توالی هدف و اتصال به آنها، با استفاده از دُمین نوکلئازی برش را ایجاد میکنند. با کشف سیستم CRISPR/Cas دوره جدیدی از تحقیقات در زمینه ویرایش ژن آغاز شد. مکانیسم عمل در این روش، شناسایی توالی هدف توسط این نوکلئاز بر اساس برهمکنش DNA و رشته RNA راهنما است که پس از شناسایی توالی هدف، برش توسط دُمین نوکلئازی انجام میشود. نتایج: از مثالهای موفقیتآمیز در استفاده از این تکنیکها میتوان به درمان برخی از بیماریها اشاره کرد: در سال 2018 بیماری سندروم هانتر با وارد کردن ژن IDS به سلولهای کبد با استفاده از روش ZFN بهصورت درونتنی درمان شد. از روش TALEN برای درمان بیماری دیستروفی عضلانی دوشن استفاده شد. در سال 2021 دانشمندان توانستند با تکنیک ویرایش تک باز، بیماری کم خونی داسی شکل را با بهرهگیری از سیستم CRISPR/Cas درمان کنند. بحث: در روشهای نوین ویرایش ژن و ژنومی، پروتئینهای نوکلئازی قادرند به طور هدفمند تغییراتی مانند درج، حذف و یا جایگزینی در توالی نوکلئوتیدی، ویرایش اطلاعات ژنتیکی و اپیژنوم را انجام دهند. این ابزارها می توانند از طریق ویرایش ژنهای عامل بیماریزا از طریق خاموش کردن آنها و یا فعالکردن ژنهای مهارکننده عامل بیماری در حوزههای کشاورزی، پزشکی و درمان بیماریهای ژنتیکی به کار برده شوند. چنین سیستم هایی، در نشانهگذاری و همچنین کاهش یا افزایش بیان ژنها کاربرد مؤثری دارند. با توسعه روشهای جدیدتر و دقیقتر، استفاده از نوکلئازهای MegaN کاهش یافت و بیشتر مطالعات و آزمایشها بر روی روشهای TALEN و CRISPR/Cas متمرکز گردیده است. | ||
| کلیدواژهها | ||
| ویرایش ژن و ژنوم؛ CRISPR/Cas؛ TALEN؛ ZFN | ||
| مراجع | ||
|
Abdallah, N. A., Prakash, C. S., & McHughen, A. G. (2015). Genome editing for crop improvement: challenges and opportunities. GM Crops & Food, 6(4), 183-205. https://doi.org/10.1080/21645698.2015.1129937
Adli, M. (2018). The CRISPR tool kit for genome editing and beyond. Nature communications, 9(1), 1911. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04252-2
Akopian, A., & Stark, W. M. (2005). Site‐specific DNA recombinases as instruments for genomic surgery. Advances in Genetics, 55, 1-23. https://doi.org/10.1016/S0065-2660(05)55001-6
Altae-Tran H, Kannan S, Demircioglu F.E., Oshiro R., Nety S.P., McKay L.J., Dlakić M, Inskeep W.P., Makarova K.S., Macrae R.K., Koonin E.V., Zhang F. (2021). The widespread IS200/IS605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases. Science, 374(6563), 57-65. https://doi.org/10.1126/science.abj6856
Arnould, S., Delenda, C., Grizot, S., Desseaux, C., Paques, F., Silva, G. H., & Smith, J. (2011). The I-CreI meganuclease and its engineered derivatives: applications from cell modification to gene therapy. Protein Engineering, Design & Selection, 24(1-2), 27-31. https://doi.org/10.1093/protein/gzq083
Badon I.W., Oh Y., Kim H.J., & Lee S.H. (2024). Recent application of CRISPR-Cas12 and OMEGA system for genome editing. Molecular Therapy 3;32(1). 32-43. https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2023.11.013.
Bao W., Jurka J. (2013). Homologues of bacterial TnpB_IS605 are widespread in diverse eukaryotic transposable elements. Mob DNA, 4(1), 12. https://doi.org/10.1186/1759-8753-4-12
Becker, S., & Boch, J. (2021). TALE and TALEN genome editing technologies. Gene and Genome Editing, 2, 100007. https://doi.org/10.1016/j.ggedit.2021.100007
Bhardwaj, A., & Nain, V. (2021). TALENs—an indispensable tool in the era of CRISPR: a mini review. Journal of Genetic Engineering and Biotechnology, 19(1), 1-10. https://doi.org/10.1186/s43141-021-00225-z
Broughton, J. P., Deng, X., Yu, G., Fasching, C. L., Servellita, V., Singh, J., ... & Chiu, C. Y. (2020). CRISPR–Cas12-based detection of SARS-CoV-2. Nature biotechnology, 38(7), 870-874. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0513-4
Carroll, D. (2011). Genome engineering with zinc-finger nucleases. Genetics, 188(4), 773-782. https://doi.org/10.1534/genetics.111.131433
Carroll, D., Morton, J. J., Beumer, K. J., & Segal, D. J. (2006). Design, construction and in vitro testing of zinc finger nucleases. Nature protocols, 1(3), 1329-1341. https://doi.org/10.1038/nprot.2006.231
Cermak, T., Doyle, E. L., Christian, M., Wang, L., Zhang, Y., Schmidt, C., ... & Voytas, D. F. (2011). Efficient design and assembly of custom TALEN and other TAL effector-based constructs for DNA targeting. Nucleic acids Research, 39(12), e82-e82. https://doi.org/10.1093/nar/gkr218
Chen, F., Pruett-Miller, S. M., Huang, Y., Gjoka, M., Duda, K., Taunton, J., ... & Davis, G. D. (2011). High-frequency genome editing using ssDNA oligonucleotides with zinc-finger nucleases. Nature methods, 8(9), 753-755. https://doi.org/10.1038/nmeth.1653
Chen, K., & Gao, C. (2014). Targeted genome modification technologies and their applications in crop improvements. Plant cell reports, 33, 575-583. https://doi.org/10.1007/s00299-013-1539-6
Chiang, T. W. W., Le Sage, C., Larrieu, D., Demir, M., & Jackson, S. P. (2016). CRISPR-Cas9D10A nickase-based genotypic and phenotypic screening to enhance genome editing. Scientific reports, 6(1), 24356. https://doi.org/10.1038/srep24356
Chou, C., & Deiters, A. (2011). Light-activated gene editing with a photocaged zinc-finger nuclease. Angewandte Chemie (International ed. in English), 50(30), 6839. https://doi.org/10.1002/anie.201101157
Dymond, J. S., Richardson, S. M., Coombes, C. E., Babatz, T., Muller, H., Annaluru, N., ... & Boeke, J. D. (2011). Synthetic chromosome arms function in yeast and generate phenotypic diversity by design. Nature, 477(7365), 471-476. https://doi.org/10.1038/nature10403
Frangoul, H., Ho, T. W., & Corbacioglu, S. (2021). CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia. Reply. The New England Journal of Medicine, 384(23), e91-e91. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2031054
Gaj, T., Mercer, A. C., Gersbach, C. A., Gordley, R. M., & Barbas III, C. F. (2011). Structure-guided reprogramming of serine recombinase DNA sequence specificity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(2), 498-503. https://doi.org/10.1073/pnas.1014214108
Gaj, T., Mercer, A. C., Sirk, S. J., Smith, H. L., & Barbas III, C. F. (2013). A comprehensive approach to zinc-finger recombinase customization enables genomic targeting in human cells. Nucleic acids research, 41(6), 3937-3946. https://doi.org/10.1093/nar/gkt071
Gasiunas, G., Barrangou, R., Horvath, P., & Siksnys, V. (2012). Cas9–crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(39), E2579-E2586. https://doi.org/10.1073/pnas.1208507109
Hadipour, K., Asadishad, T., Mahya, L., Mohammadhassan, R., Rahbar, A., & Goudarziasl, F. (2023). A Comparative Review on Genome Editing Approaches. https://doi.org/10.33263/BRIAC136.567
Herrmann, F., Garriga-Canut, M., Baumstark, R., Fajardo-Sanchez, E., Cotterell, J., Minoche, A., ... & Isalan, M. (2011). p53 Gene repair with zinc finger nucleases optimised by yeast 1-hybrid and validated by Solexa sequencing. PloS one, 6(6), e20913. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0020913
Hillary, V. E., & Ceasar, S. A. (2023). A review on the mechanism and applications of CRISPR/Cas9/Cas12/Cas13/Cas14 proteins utilized for genome engineering. Molecular Biotechnology, 65(3), 311-325. https://doi.org/10.1007/s12033-022-00567-0
Hille, F., Richter, H., Wong, S. P., Bratovič, M., Ressel, S., Charpentier, E. (2018). The Biology of CRISPR-Cas: Backward and Forward. Cell, 172(6), 1239-1259. https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.11.032
Huang, C., Li, Q., & Li, J. (2022). Site-specific genome editing in treatment of inherited diseases: possibility, progress, and perspectives. Medical Review, 2(5), 471-500. https://doi.org/10.1515/mr-2022-0029
Ishino, Y., Krupovic, M., & Forterre, P. (2018). History of CRISPR-Cas from encounter with a mysterious repeated sequence to genome editing technology. Journal of bacteriology, 200(7), 10-1128. https://doi.org/10.1128/jb.00580-17
Javaran, M. J. (1999). Analysis of glutamine synthetase during leaf senescence of Brassica napus (Doctoral dissertation, Imperial College London (University of London)). https://doi.org/10.22099/iar.2001.4302
Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. science, 337(6096), 816-821. https://doi.org/10.1126/science.1225829
Karow, M., & Calos, M. P. (2011). The therapeutic potential of phiC31 integrase as a gene therapy system. Expert Opinion on Biological Therapy, 11(10), 1287-1296. https://doi.org/10.1517/14712598.2011.601293
Khalil, A. M. (2020). The genome editing revolution. Journal of genetic engineering and biotechnology, 18(1), 68. https://doi.org/10.1186/s43141-020-00078-y
Kim, J. S. (2016). Genome editing comes of age. Nature protocols, 11(9), 1573-1578. https://doi.org/10.1038/nprot.2016.104
Komor, A. C., Kim, Y. B., Packer, M. S., Zuris, J. A., & Liu, D. R. (2016). Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature, 533(7603), 420-424. https://doi.org/10.1038/nature17946
Kostriken, R., Strathern, J. N., Klar, A. J., Hicks, J. B., & Heffron, F. (1983). A site-specific endonuclease essential for mating-type switching in Saccharomyces cerevisiae. Cell, 35(1), 167-174. https://doi.org/10.1016/0092-8674(83)90219-2
Li, H., Yang, Y., Hong, W., Huang, M., Wu, M., & Zhao, X. (2020). Applications of genome editing technology in the targeted therapy of human diseases: mechanisms, advances and prospects. Signal transduction and targeted therapy, 5(1), 1. https://doi.org/10.1038/s41392-019-0089-y
Li, T., Liu, B., Spalding, M. H., Weeks, D. P., & Yang, B. (2012). High-efficiency TALEN-based gene editing produces disease-resistant rice. Nature biotechnology, 30(5), 390-392. https://doi.org/10.1038/nbt.2199
Lino, C. A., Harper, J. C., Carney, J. P., & Timlin, J. A. (2018). Delivering CRISPR: a review of the challenges and approaches. Drug delivery, 25(1), 1234-1257. https://doi.org/10.1080/10717544.2018.1474964
Liu, X. S., Wu, H., Ji, X., Stelzer, Y., Wu, X., Czauderna, S., ... & Jaenisch, R. (2016). Editing DNA methylation in the mammalian genome. Cell, 167(1), 233-247. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.056
Maeder, M. L., Thibodeau-Beganny, S., Osiak, A., Wright, D. A., Anthony, R. M., Eichtinger, M., ... & Joung, J. K. (2008). Rapid “open-source” engineering of customized zinc-finger nucleases for highly efficient gene modification. Molecular cell, 31(2), 294-301. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2008.06.016
MarketResearch (2022). Gene Editing Market. Available at: https://marketresearch.biz/report/gene-editing-market. Published date: Feb 2022
Matsumoto, D., & Nomura, W. (2023). The history of genome editing: advances from the interface of chemistry & biology. Chemical Communications, 59(50), 7676-7684. https://doi.org/10.1039/D3CC00559C
Miller, J. C., Tan, S., Qiao, G., Barlow, K. A., Wang, J., Xia, D. F., ... & Rebar, E. J. (2011). A TALE nuclease architecture for efficient genome editing. Nature biotechnology, 29(2), 143-148. https://doi.org/10.1038/nbt.1755
Napoli, C., Lemieux, C., & Jorgensen, R. (1990). Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into petunia results in reversible co-suppression of homologous genes in trans. The plant cell, 2(4), 279-289. https://doi.org/10.1105/tpc.2.4.279
Nidhi, S., et al., Novel CRISPR–Cas Systems: An Updated Review of the Current Achievements, Applications, and Future Research Perspectives. International Journal of Molecular Sciences, 2021. 22(7): p. 3327 https://doi.org/10.3390/ijms22073327
Olorunniji, F. J., Rosser, S. J., & Stark, W. M. (2016). Site-specific recombinases: molecular machines for the Genetic Revolution. Biochemical Journal, 473(6), 673-684. https://doi.org/10.1042/BJ20151112
Peng, A., Chen, S., Lei, T., Xu, L., He, Y., Wu, L., ... & Zou, X. (2017). Engineering canker‐resistant plants through CRISPR/Cas9‐targeted editing of the susceptibility gene Cs LOB 1 promoter in citrus. Plant biotechnology journal, 15(12), 1509-1519. https://doi.org/10.1111/pbi.12733
Petersen, B., & Niemann, H. (2015). Advances in genetic modification of farm animals using zinc-finger nucleases (ZFN). Chromosome Research, 23(1), 7-15. https://doi.org/10.1007/s10577-014-9451-7
Popplewell, L., Koo, T., Leclerc, X., Duclert, A., Mamchaoui, K., Gouble, A., ... & Dickson, G. (2013). Gene correction of a duchenne muscular dystrophy mutation by meganuclease-enhanced exon knock-in. Human gene therapy, 24(7), 692-701. https://doi.org/10.1089/hum.2013.081
Qi, L. S., Larson, M. H., Gilbert, L. A., Doudna, J. A., Weissman, J. S., Arkin, A. P., & Lim, W. A. (2013). Repurposing CRISPR as an RNA-guided platform for sequence-specific control of gene expression. Cell, 152(5), 1173-1183. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.02.022
Randhawa, S., & Sengar, S. (2021). The evolution and history of gene editing technologies. Progress in Molecular Biology and Translational Science, 178, 1-62. https://doi.org/10.1016/bs.pmbts.2021.01.002
Reyon, D., Tsai, S. Q., Khayter, C., Foden, J. A., Sander, J. D., & Joung, J. K. (2012). FLASH assembly of TALENs for high-throughput genome editing. Nature biotechnology, 30(5), 460-465. https://doi.org/10.1038/nbt.2170
Saito M., Xu P., Faure G., Maguire S., Kannan S., Altae-Tran H., Vo S., Desimone A., Macrae R.K., Zhang F. (2023). Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature, 620(7974), 660 668. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06356-2
Samanta, M. K., Dey, A., & Gayen, S. (2016). CRISPR/Cas9: an advanced tool for editing plant genomes. Transgenic research, 25, 561-573. https://doi.org/10.1007/s11248-016-9953-5
Sander, J. D., Dahlborg, E. J., Goodwin, M. J., Cade, L., Zhang, F., Cifuentes, D., ... & Joung, J. K. (2011). Selection-free zinc-finger-nuclease engineering by context-dependent assembly (CoDA). Nature methods, 8(1), 67-69. https://doi.org/10.1038/nmeth.1542
Schmid-Burgk, J. L., Schmidt, T., Kaiser, V., Höning, K., & Hornung, V. (2013). A ligation-independent cloning technique for high-throughput assembly of transcription activator–like effector genes. Nature biotechnology, 31(1), 76-81. https://doi.org/10.1038/nbt.2460
Siripong, W., Angela, C., Tanapongpipat, S., & Runguphan, W. (2020). Metabolic engineering of Pichia pastoris for production of isopentanol (3-Methyl-1-butanol). Enzyme and Microbial Technology, 138, 109557. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2020.109557
Smithies, O., Gregg, R. G., Boggs, S. S., Koralewski, M. A., & Kucherlapati, R. S. (1985). Insertion of DNA sequences into the human chromosomal β-globin locus by homologous recombination. Nature, 317(6034), 230-234. https://doi.org/10.1038/317230a0
Tebas, P., Stein, D., Tang, W. W., Frank, I., Wang, S. Q., Lee, G., ... & June, C. H. (2014). Gene editing of CCR5 in autologous CD4 T cells of persons infected with HIV. New England Journal of Medicine, 370(10), 901-910. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1300662
Thurtle‐Schmidt, D. M., & Lo, T. W. (2018). Molecular biology at the cutting edge: A review on CRISPR/CAS9 gene editing for undergraduates. Biochemistry and Molecular Biology Education, 46(2), 195-205. https://doi.org/10.1002/bmb.21108
Tröder, S. E., & Zevnik, B. (2022). History of genome editing: From meganucleases to CRISPR. Laboratory Animals, 56(1), 60-68. https://doi.org/10.1177/0023677221994613
Yant, S. R., Huang, Y., Akache, B., & Kay, M. A. (2007). Site-directed transposon integration in human cells. Nucleic acids research, 35(7), e50. https://doi.org/10.1093/nar/gkm089
Yao, L., Zhang, Y., Liu, C., Liu, Y., Wang, Y., Liang, D., ... & Kelliher, T. (2018). OsMATL mutation induces haploid seed formation in indica rice. Nature plants, 4(8), 530-533. https://doi.org/10.1038/s41477-018-0193-y
Yin, H., Song, C. Q., Dorkin, J. R., Zhu, L. J., Li, Y., Wu, Q., ... & Anderson, D. G. (2016). Therapeutic genome editing by combined viral and non-viral delivery of CRISPR system components in vivo. Nature biotechnology, 34(3), 328-333. https://doi.org/10.1038/nbt.3471
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 201 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 160 |
||