锌指核糖核酸酶

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锌指核糖核酸酶 (ZFN) 由一个 DNA 识别域和一个非特异性核酸内切酶构成。DNA 识别域是由一系列 Cys2-His2锌指蛋白(zinc-fingers)串联组成(一般 3~4 个)，每个锌指蛋白识别并结合一个特异的三联体碱基。锌指蛋白源自转录调控因子家族(transcription factor family)，在真核生物中从酵母到人类广泛存在，形成alpha-beta-beta二级结构。其中alpha螺旋的16氨基酸残基决定锌指的DNA结合特异性，骨架结构保守。对决定DNA结合特异性的氨基酸引入序列的改变可以获得新的DNA结合特异性。

现已公布的从自然界筛选的和人工突变的具有高特异性的锌指蛋白可以识别所有的GNN和ANN以及部分CNN和TNN三联体。多个锌指蛋白可以串联起来形成一个锌指蛋白组识别一段特异的碱基序列，具有很强的特异性和可塑性，很适合用于设计ZFNs。与锌指蛋白组相连的非特异性核酸内切酶来自FokI的C端的96个氨基酸残基组成的DNA剪切域(Kim et al., 1996)。FokI是来自海床黄杆菌的一种限制性内切酶 ，只在二聚体状态时才有酶切活性(Kim et al., 1994)，每个FokI单体与一个锌指蛋白组相连构成一个ZFN，识别特定的位点，当两个识别位点相距恰当的距离时(6~8 bp)，两个单体ZFN相互作用产生酶切功能。从而达到 DNA 定点剪切的目的。

该技术一直以来被Sangamo生物公司所垄断，该公司只与部分科研机构合作。现在这种形势得到了改变，一个由八个实验室组成的协会，在分子生物学家J. Keith Joung的带领下，提出了制造ZNF的一种开源方式(Maeder et al., 2008)。该组织建立了66个“锌指”库，选择性地针对不同的DNA序列。从库中建立的“锌指核酸酶”在测试一个植物 基因和三个人类基因时大概有1-50%的高效率，这种效率可以与Sangamo、经典基因立法相媲美。

一种DNA靶向技术,若应用于实际的科研或医疗中,需要有高度的特异性，即要避免错误的酶切(off-target)。然而事实上，DNA剪切的准确性由于ZNF剪切的机制而并不像人们预期的那样强：DNA的剪切需要两个FokI切割区域的二聚化，和至少一个单元结合DNA。因为二聚化的过程是独立于DNA剪切的，异二聚体的形成，和两种单元所形成的同源二聚体，同样可以造成DNA的剪切，并且他们有着不同的识别序列。可以想象，具有较低特异性的同源二聚体形式的ZNF会切割基因组 中的假回文序列。而且，在某些特定条件下，单一ZNF单元结合于DNA(识别序列只有9~12 bp)也会造成DNA的剪切。如此，两个不同的ZNF单元总共可能产生七种不同识别序列的内切酶。这些非特异性行为均可能带来ZNF毒性。

Miller等人和Szczeoek等人(2007)分别改进了这一技术。他们构建了一系列偏爱异二聚体形成的FokI酶。通过审查FokI的晶体结构，两个小组均对介导酶的两个单元结合的两个alpha螺旋上的氨基酸做了突变 ，以减少同源二聚体的形成：研究人员构建了一对不对称的界面。虽然脱靶显现明显减少，但是仍然不可避免单个ZNF单元结合于DNA时发生的酶切，也许进一步的发展中，人们需要彻底破坏FokI部分结合DNA的能力。

ZFNs 曾用于增强非洲爪蟾卵细胞、线虫、果蝇及斑马鱼细胞的同源重组(Bibikova et al., 2001; Morton et al., 2006; Meng et al, 2008; Doyon et al., 2008)。在果蝇中ZFNs介导的同源重组频率相当可观，有时大于1%的子代发生了同源重组介导的基因打靶事件(Beumer et al., 2006)。在斑马鱼中，30%-50%的个体将ZFN诱导的突变传给了子代，而7%~18%的子代为突变型。通过SOLEXA测序发现，在形态正常的胚胎中，脱靶现象仅出现1%。在植物上，Lloyd 等(2005)在拟南芥中用ZFN诱导了染色体基因的定点突变，后代的突变率高达 20%。Voytas的研究小组证明ZFNs可以提高植物基因定点整合和置换频率。他们在实验中设计了一个缺失了600bp的靶基因GUS:NPTII,将含有该600 bp的同源DNA片段和ZFNs瞬时表达载体共同转化烟草原生质体，转化细胞的10%获得基因定点置换，比不用ZFNs时效率提高了104~105倍。分子检测表明20%的重组事件是精确的，没有伴随碱基的缺失或插入(Wright et al.,2005)。这一结果表明利用ZFNs定点切割染色体DNA，可以显著提高同源重组介导的基因定点整合效率，这为基因定点整合和置换提供了一个非常有潜力的工具。

ZNF技术亦具有潜在的临床应用前景。传统的基因治疗的方式主要有两种，一种是利用病毒携带完整的基因序列送入人体内或者是注入一小段正确的DNA序列来修正错误或者使错误的基因不表现，然而到目前为止，事实上科学家都无法确认这些方法在实际应用上是有效率及安全的。而藉由同源互换的原理使得细胞自行修正错误的DNA序列是发展基因治疗上最基本的原则。这一过程通过两个独立的步骤完成：首先在DNA中引入一个双链断裂，启动细胞自身的修复系统;之后“同源重组”参考引入的相似序列作为模板修复这段基因，从而实现指定部位的碱基替换。

Urnov et al. (2005)针对一个IL2R基因上的突变而引起严重的免疫不全症 [X-linked severe combined immune deficiency (SCID)] 来设计了四指的ZFN. SCID会使T细胞失去对抗外界入侵及感染的能力，而科学家们结合注入正确的DNA片段及ZFN的方式在培养皿中处理这些SCID的T细胞。利用该系统介导了人类细胞IL2R酌的高效修复。在无选择压力下修复效率达15%~18%，而实际在体内，修正后的细胞比原来的突变细胞具有选择优势，故这样的修复效率已足够用于基因治疗。这样的操作与传统的逆转录病毒等技术相比，具有明显的优势：他没有造成人们所不希望的基因重组的风险，因为它修正错误的序列，而非增加一个正确的拷贝。这给利用ZFN进行基因修复带来希望。

但是ZNF技术用于临床治疗还有很长的路要走。例如，人们不能预期引入的ZNF蛋白是不是会引起免疫系统的进攻。并且至少到目前为止，这样的技术似乎只能用于那些可以从病人体内抽取出来的细胞，对他们进行体外操作，再注回病人体内：直接体内注入基因的效率还太低了。最后，ZNF操作在细胞内到底精确程度如何，也必须小心评估：极少的错误也可能导致产生细胞癌变等严重的后果。