在生物学和医学的见解

ISSN:2639 - 6769

评论文章

合成动物:动物育种和遗传学的趋势

阿布巴拉米^{1 *}和阿里纳杰菲²

¹大学动物科学、农业和自然资源,德黑兰大学卡拉杰,伊朗
²分子生物学研究中心,Baqiyatallah大学医学科学,德黑兰,伊朗

*通信地址:巴拉米,动物科学,德黑兰大学,卡拉杰,起始点伊朗、电话/传真:+ 98 9199300065;电子邮件:a.bahrami@ut.ac.ir

日期:提交:2018年12月31日;批准:2019年1月10日;发表:2019年1月11日

本文引用:巴拉米,纳杰菲合成动物:动物育种和遗传学的趋势。见解医学杂志。2019;3:007 - 025。DOI:10.29328 / journal.ibm.1001015

版权:©2019巴拉米,et al。这是一个开放存取物品在知识共享归属许可下发金博宝app体育布的,它允许无限制的使用,分布,在任何介质,和繁殖提供了最初的工作是正确引用。

关键词:合成生物学;系统生物学;合成方法;基因工程

动物繁殖

1859年,查尔斯·达尔文出版他的书“物种起源”,基于这些发现,他在航行期间收集“小猎犬号”[1]。他发现了自然选择的力量。他还认为,最适合的人在自己的环境中生存和繁殖的机会最高:适者。他的结论是,食物来源的差异,岛屿之间的捕食者,等不同的发展在很多代。不过,达尔文所不知道的继承的基本规律。这是和尚孟德尔(https://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/HS1_mendel.htm),发表了他的研究结果的基因遗传在花园豌豆(https://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/HS1_mendel.htm)。他表明,父母双方的遗传物质是遗传的,独立于彼此。,因此,每个(二倍体)个人携带2张相同的基因,其中只有1是传递给后代。哪一个是机会的结果(独立分配)。他也表明这些基因(等位基因)副本可以主导(只有1副本确定基因的表达),隐性(2副本所需的表达式),或添加剂(两个等位基因的一个副本导致一个表达式,中间有2份的等位基因)。 These findings had no immediate impact on animal breeding and were not recognized as important until 1900.

大部分的动物育种和遗传学理论我们今天仍在使用,是上半年的20号世纪发明的。统计学家r·a·费舍尔显示表达的多样性特征可以依靠大量的参与所谓的孟德尔因子(基因)[2]。费舍尔,连同席沃莱特和J.B.S.霍尔丹理论种群遗传学的创始人(3、4)。托马斯·亨特摩根和同事联系的染色体理论继承孟德尔的工作和创造了一个理论,染色体的细胞被认为实际的遗传物质[5]。杰伊·l·郁郁葱葱的被称为现代动物育种和遗传学之父[6]。他主张,而不是主观的外表,动物育种应基于定量统计和遗传信息的组合。估计育种值(EBV)只有发达之后的统计学家c·r·亨德森[7]。估计育种值成为可能等级动物根据他们估计遗传潜力(EBV),导致更准确的选择结果,从而更快的跨代遗传改良。亨德森进一步改进估计育种值的准确性产生的最佳线性无偏预测(BLUP) EBV在1950年,但这个词是自1960年以来只使用。他还建议将完整的谱系的人口包括遗传个体之间的关系。

候选基因

候选基因的方法进行基因关联研究侧重于遗传变异之间的关联在疾病状态或感兴趣的表型和基因。候选基因往往选择研究基于先验知识的基因的生物功能,影响性状或疾病。选择合适的候选基因通常是基于已知的生理、生物、或功能性状的相关性问题。这种方法受限于现有的依赖知识或理论生物学特征。然而,最近开发的分子工具允许洞察特征和疾病机制和确定潜在的基因组中感兴趣的区域。许多研究已经使用候选基因作为一个多学科的方法来研究表型或特征(8、9)。

基因选择

目前的伟大的思想,开发了一种方法将大规模的DNA信息,可用在动物模型(BLUP)理论来估计所谓基因组育种值是西奥Meuwissen和迈克戈达德[10]。直到1953年,科学家利用统计和推测机制对产业进行预测。没人知道究竟是其背后的机制。但在1953年,发现了DNA的双螺旋结构。一开始研究DNA是劳动密集型,因此也非常昂贵。现在机器人可以执行大规模的基因如超过60000的遗传标记在成千上万的人在非常有限的时间内。遗传标记可以被认为是一种“国旗”的基因组。

主要目的基因选择是动物的DNA结构和性能之间的关系可以添加估计育种值,甚至取代它。您可以选择动物已经在很早的时候,你不需要等待,直到他们成为成年人,因为你不必等到表型可以测量动物了,你有相关的DNA信息。您还可以使用该等特征,很难衡量疾病相关的特征。那将是非常可取的,如果你只需要感染有限数量的动物和评估他们对感染的反应,链接到他们的DNA,并使用,估计与预测其他动物的敏感性疾病根据他们的DNA,而不必感染它们。因此基因选择是指使用的全基因组遗传标记的育种值预测选择候选人[11]。这种方法依赖于标记之间的连锁不平衡和负担得起的多态性变化的重要特征。因此,线性预测方程可以预测的累积效应,许多因果变异动物的繁殖价值。因为它是可能的基因型个体的100000年代snp在一个合理的成本,使用的标记基因选择是最常见的单核苷酸多态性[12]。从SNP基因型方程预测育种价值必须从样本估计的动物,称为参考人口,被测量的特点和SNP基因分型。这个预测方程可以用来预测育种值选择候选人仅根据他们的基因型。 The candidates are ranked on these estimated breeding values, and the best ones are selected to breed the next generation [13].

基因选择的优势和挑战

基因组选择而不是传统的选择的优点是,动物可以选择准确的早期生活和困难或昂贵的特征评价:抗病性,肥力,饲料转化率和甲烷排放是主要的例子。在奶牛,奶公牛通常选择根据后代测试,因为牛奶产量的遗传优点公牛只能准确测量通过女儿的牛奶产量。后代测试结果准确的选择,但世代间隔5年或更长时间。基因选择,世代间隔可以减少到2年,可能导致增加60 - 120%的遗传增益(14、15)。然而,基因组预测跨品种已经很大程度上成功到目前为止,与预测方程推导出在一个品种给予低精度在其他品种[16]。这可能是由于不同的单核苷酸多态性和诱发突变之间的连锁不平衡阶段。所以全基因组序列数据可以提高跨品种的预测精度。应用基因组选择的主要挑战一些特征是重要的在未来,组装足够大的参考数量做出准确的预测,因为数以千计数以万计的表现型个人需要(17、18)。

全基因组测序

尽管基因组估计育种值是现在广泛使用的基础选择的动物,有一些当前技术的约束。显然已经成为大部分基因组育种值的准确性(基于50000个DNA标记)实际上来源于预测大型染色体段隔离的效果在动物[19]密切相关。在这种情况下,预测方程的准确性将迅速衰减随着代大型染色体片段分手因为重组。品种内,有效种群大小一般< 200,因此,动物在一个品种有最近的共同祖先,所以分配大的染色体片段。利用全基因组序列数据的基因预测,可能克服这些问题。鉴于致病突变序列数据中,衰减的问题在诱发突变和国民党之间的关联,导致精度下降随着时间的推移,可能被克服。虽然这已经证明了模拟数据,在实践中,为了获得这种需要精心设计的参考人口[10]。这需要一个人口中诱发突变和其他变体之间的连锁不平衡是尽可能限制:如果连锁不平衡的程度太大,基因组预测算法将分发致病突变的影响在变异大的染色体片段,导致上述问题。如果完整的基因组序列数据可用于基因预测而不是SNP数组,因为因果变异的数据集,精度之间的连锁不平衡不再是有界的SNP和诱发突变。虽然基因组重测序的成本已经大幅下降,它太贵了resequence数以万计的个人,将被要求估计准确的小影响大量的突变影响典型复杂特征。 In silico resequencing of large numbers of animals with specific phenotypes and the accumulation of these data across breeds would then enable highly accurate genomic predictions from whole-genome resequencing data. Breathtaking development is the sequencing of more dairy sires as part of the 1000 Bull Genomes Project, which is now underway [20]. Although using sequence data in genomic predictions is absorbing for the reasons described above, an important challenge will be the large number of SNPs and other variant effects to be estimated, with a still-limited number of records. The numbers of variants are likely to be in the tens of millions. One strategy to deal with this will be to use biological information such as “omics” data.

动物育种和遗传的结果

选择动物育种已经有大约300年的历史。以来取得了很多。取得明显的效果在畜牧领域。例如牛饲养的结果:增加直到1970年比从1990年起陡峭的要少得多。原因有很多,但重要的是很强的增加使用人工智能这样强大的公牛是可能的选择,引入更准确的技术估计育种值,引入自动挤奶和免费摊位而不是停滞,营养和更好的质量。表型的增加牛奶产量在1995 - 2013年期间非常类似于估计增加牛奶产量的遗传潜力:大约1500公斤。这表明系统的改善环境,如自动挤奶,宽松的住房和饮食质量对所有牛也有类似的影响。

转基因动物

转基因动物进行体现的一个最令人兴奋的在生物科学研究工具。转基因动物展示独特的模型,量身定做的解决具体的生物学问题。因此,引入功能基因动物的能力提供了一个非常强大的工具,用于分析复杂生物系统和过程。基因转移是这些动物物种的特定值,在长生命周期降低经典育种实践的价值快速基因改造。一般来说,转基因生物()是任何生物的遗传物质使用基因工程技术已被修改。这是一个生物的基因构成已被修改的遗传物质从一个不相关的有机体。转基因包括插入、删除和变异的基因。插入的基因通常来自不同物种在水平基因转移的一种形式。在自然界中这可能发生当外源DNA的膜渗透细胞的任何理由。可以人为地通过身体额外的DNA插入的核心目的主机与一个非常小的注射器,将病毒的基因,从基因枪射击小颗粒,使用电穿孔(21、22)。 Other methods exploit natural forms of gene transfer, such as the ability of lentiviruses to transfer genes to animal cells and the ability of Agrobacterium to transfer genetic material to plants [23,24]. Various development in genetics permitted humans to change the DNA and genes of organisms. Jackson et al. (1972) created the first recombinant DNA molecule when he combined DNA from a monkey virus with that of the lambda virus.25 The first transgenic livestock were produced and the first animal to synthesise transgenic proteins in their milk were mice, engineered to produce human tissue plasminogen activator.26-28 The first transgenic animal to be approved for food use was AquAdvantage salmon. The salmon were transformed with a growth hormone-regulating gene from a Pacific Chinook salmon and a promoter from an ocean pout enabling it to grow year-round instead of only during spring and summer [29]. TOs are used in production of drugs agriculture and experimental medicine with developing uses in conservation [30]. The first transgenic animal was created by injecting DNA into mouse embryos then implanting the embryos in female mice [31]. Transgenic animals currently being expanded can be placed into different broad classes based on the intended goal of the transgenic including to research human diseases, to produce products intended for human therapeutic use, to produce industrial or consumer products, to enhance production or food quality traits, to enrich or enhance the animals’ interactions with humans and to improve animal health. Dolly was a sheep and the first animal to be cloned from an adult somatic cell. Genetically modified animals are used as experimental models to test in biomedical research and for performing phenotypic [32]. Transgenic animals are becoming more vital to the discovery and development of treatments for many diseases. By changing the DNA or transferring DNA to an animal, we can create proteins that may be used in medical cure. Stable expressions of human proteins have been created in many animals, including pigs, sheep and rats. For example Human-alpha-1-antitrypsin, which has been tested in sheep and is used in treating humans with this deficiency and transgenic pigs with human-histo-compatibility have been studied in the hopes that the organs will be suitable for transplant with less chances of rejection [33]. Scientists announced that they had successfully transferred a gene into a primate species and made a line of breeding genetically modified primates for the first time [34]. Chinese scientists created dairy cows with genes from human beings to produce milk that would be the same as human breast milk [35]. Researchers from New Zealand also developed a transgenic cow that produced allergy-free milk [36].

技术使转基因动物

DNA显微镜下注射:有利的基因在生殖细胞的原核注射用玻璃针。处理过的细胞在体外培养扩大到一个特定的胚胎阶段,然后转移到接受女性。显微镜下注射DNA没有效率高,即使新的基因组中DNA结合,新特征不会出现在他们的后代,如果不接受带有[37]。

Retrovirus-mediated基因转移:逆转录病毒是一种病毒,其遗传物质RNA的形式而不是DNA。逆转录病毒作为载体传递遗传物质进入宿主细胞。结果是一种妄想,有机体包括部分或组织不同的遗传成分[37]。

限制性内切酶介导的集成:限制性内切酶介导的集成(雷米)是一个基因组DNA技术结合成网站是由相同的限制性内切酶用于DNA线性化。质粒结合发生在基因组中相应的网站,经常通过再生诊断网站相同的限制性内切酶用于质粒线性化[37]。

干细胞转基因技术

多功能:多功能干细胞只能分化成一个有限数量的治疗有益的细胞类型,然而他们的安全和我们相对缺乏的并发症导致广泛的多数的个性化细胞疗法涉及多功能干细胞[38]。

多功能:转基因可以交出随机向量或针对某一特定基因位置,比如安全港。科学家们所做的研究和技术改进提供必要的工具,允许有效和安全的多能干细胞(PSC)转基因技术[39岁41]。

全能的:管理基因插入全能干细胞,细胞可以扩展到任何专门的细胞。包含理想的DNA结合进入宿主细胞的胚胎,导致嵌合体动物。与其他两种方法需要生活转基因后代进行检测,可以检查胚胎细胞转移细胞阶段(42、43)。

基因组编辑

基因组编辑与设计核酸酶(GEEN)是一种基因工程的DNA被替换,插入或删除一个有机体的基因组通过工程核酸酶。这些核酸酶创造特有的双链断裂(双边带)基因组中理想的地点。通过同源重组修复诱导双链断裂(人力资源)或nonhomologous end-joining (NHEJ),导致有针对性的突变。目前,有四个家庭所使用的工程核酸酶:锌指核酸酶(ZFNs) meganucleases, CRISPR-Cas系统和转录activator-like effector-based核酸酶(取得)[44]。在反向遗传分析的最重要的要求是能够操纵目标生物体的DNA序列。这可以抵达:

•基于复合的方法,利用自然能力的细胞之间的交换DNA外源DNA和自己的遗传信息。

•定点诱变招聘聚合酶链反应(PCR)或噬菌体-介导的方法和包含所需的寡核苷酸变异[45]。

•这些方法的缺点

•噬菌体和PCR介导方法不太成功的更复杂的生物,比如哺乳动物化石,交付将变得更加困难。

•Recombination-based方法可以效率低下。

•他们也需要严格的选择步骤,从而增加selection-specific序列,连同那些纳入DNA [46]。

双链断裂

基本使用核酸酶在基因组编辑的意义是DNA双链断裂修复机制。已知DNA双链断裂修复途径所有生物功能的同源性定向修复(HDR)和异源端加入(NHEJ)。

特有的双链断裂

DNA DNA双链断裂的发展不应该是一个具有挑战性的任务,使用限制性内切酶有能力这样做。然而,如果基因组DNA是处理一个特定的限制性内切核酸酶许多DNA双链断裂。这是由于大多数限制性内切酶识别几碱基对的DNA作为他们的目标和具体的碱基对组成很可能被发现在很多地方在整个基因组。克服这一挑战,使特定的DNA双链断裂,三种不同类型的核酸酶被发现。这些是transcription-activator像效应核酸酶(取得),锌指核酸酶(ZFNs)和meganucleases。下面是一个简短的概述这些酶。

Meganucleases有长期的独特特征识别序列从而创造自然是非常具体的[47]。这可以利用基因组编辑位点DNA双链断裂;然而,挑战在于,已知meganucleases不足以涵盖所有可能的目标序列。主导这一挑战、诱变和高通量筛选方法被用来使meganuclease变异识别独特的序列其他人能够融合各种meganucleases,使混合酶,确定一个新的序列(48岁,49)。

Meganucleases在细胞毒性导致的利润低于方法如锌指核酸酶之外,可能由于更严格的DNA序列的识别;虽然制造sequence-specific酶对于所有可能的序列是耗时和昂贵的,作为一个不是得益于组合的可能性方法如锌指核酸酶和transcription-activator像效应nucleases-based融合利用[47]。尽管meganucleases,锌指背后的概念和transcription-activator效应核酸酶技术是基于一个非特异性DNA酶切,然后可以与特殊的DNA序列识别转录肽如activator-like效应器(故事)和锌手指。最重要的是找到一个DNA核酸内切酶的识别网站和裂开的网站是彼此分开,一个位置,不是普遍限制性内切酶[50]。这些属性是FokI限制性内切酶。此外FokI的优势需要二聚核酸酶的活动,这意味着每个核酸酶特异性急剧增加,合作伙伴将确定一个特定的DNA序列。这种效果,增加FokI核酸酶已经被修改,只能作为形成和增加催化活性[51]。虽然两个锌指核酸酶部分和transcription-activator像效应核酸酶结构有相同的属性,这些工程核酸酶的差别在他们的DNA识别肽。锌指核酸酶依赖Cys2-His2锌手指和transcription-activator像效应核酸酶结构故事。这两种DNA识别肽领域特点,他们作品中发现的蛋白质。 Cys2-His2 Zinc fingers typically happen in repeats that are 3 bp apart and are found in diverse combinations in a variety of nucleic acid interacting proteins such as transcription factors [47]. One recent improvement integrates the DNA binding specificity of transcription activator-like effectors with the nuclease specificity of meganucleases; these “megaTALs” are fit with all current technologies and may represent improvements on existing methods [52].

系统生物学

系统生物学是生物系统的数学建模和计算复杂。出现工程方法应用于生物研究,系统生物学是一个基于跨学科领域的调查集中在复杂生物系统内交互,使用一个全面的生物研究方法。只从2000年开始,这个概念被广泛应用于生物科学在各种各样的理由。系统生物学的发展目标之一是模型和发现紧急属性,属性的生物组织和细胞功能作为一个系统的理论描述只可能使用技术属于系统生物学的收缩。这些通常涉及细胞信号或代谢网络[53、54]。

系统生物学的不同方面:

•作为一个研究领域的生物系统的组件之间的相互作用,以及这些交互行为和功能的增加,系统[55]。

•为一系列可用的协议用于做研究,即组成的一个循环理论、实验验证、分析或计算模型提供特定的可测试的假设一个生物系统,然后利用最近收购了定量描述的细胞进程或细胞[56]优化计算模型。由于目的是系统中相互作用的模型,实验技术,最适合系统生物学是那些系统和努力是尽可能完整。因此,转录组、蛋白质组学、代谢组学和高通量技术用于收集定量数据的建设和验证模型[57]。

•使用动力系统理论的分子生物学。事实上,专注于研究系统的动态的主要生物信息学和系统生物学概念上的区别。路德维希·冯·Bertalanffy谁可以被视为一个系统生物学与系统理论的先驱之一[58]。第一个数值模拟神经细胞生物学发表的艾伦•劳埃德•霍奇金和安德鲁·菲尔丁赫胥黎构造一个数学模型,解释了函数的潜在传播沿轴突神经细胞[59]。丹尼斯高贵(1960)扩展了心脏起搏器的第一个计算机模型[60]。

正式的系统生物学的研究,作为一个杰出的学科,是由系统理论家Mihajlo Mesarovic题为“系统理论和生物学”[61]。分子生物学的成功在整个1980年代,再加上疑问向理论生物学,然后承诺超过它实现,影响生物过程的定量造型成为一个略小场[62]。然而功能基因组学在1990年代的诞生意味着大量的高质量的数据成为可用做可能更现实的模型。几篇文章系统遗传学、医学和系统生物工程出版(63 - 65)。学者集团获利,发表第一个定量模型的整体代谢细胞[66]。系统生物学成为运动后的系统生物学研究院建立了在西雅图和东京,促使各种基因组项目的完成,在数据的大量增加随之从组学和生物信息学的发展和高通量实验。在2002年和2003年,一些基金会和机构提出的一个大挑战系统生物学构造一个数学模型,整个细胞。2006年,因为短缺的人在系统生物学已经建立了几个在系统生物学的博士项目在世界的许多地方。尿道支原体的第一个全细胞模式在2012年实现。全细胞模型能够预测可行性尿道支原体的细胞响应突变[67]。 Pursuant to the explanation of systems biology as the ability to gain, integrate and analyze complicated data sets from multiple experimental sources using interdisciplinary tools and databases (Tables 1,2), some typical technology platforms are: Genomics, Transcriptomics, Epigenomics or Epigenetics, Translatomics or Proteomics, Metabolomics, Phenomics, Interferomics, Glycomics, Lipidomics, Interactomics, NeuroElectroDynamics, Fluxomics, Biomics, Semiomics and Cancer Systems Biology. The systems biology approach often involves the expansion of mechanistic models, such as the reconstruction of dynamic systems from the quantitative properties of their elementary building blocks. Because of the large number of parameters, constraints and variables in cellular networks, computational and numerical techniques are often used for example flux balance analysis (FBA) [68].

合成生物学

合成生物学是工程学和生物学的一个跨学科领域。主题包含了各种学科在这些领域,如进化生物学、生物技术、分子生物学、生物物理学、计算机工程、基因工程和系统生物学。Jan Staman定义,将它描述为“一个ICT的新兴科学领域,生物技术和纳米技术实现和加强彼此”(http://www.synbiosafe.eu/uploads)。合成生物学描述设计和构建生物系统生物模块,和生物机器用于有用的目的[69]。正在取得进展与合成方法在遗传学、动物科学、调节提供了令人兴奋的机遇,基因组设计最后合成动物最喜欢的特质。因此在本文中,我们解释和说明合成生物学的应用特别动物育种和遗传学。合成生物学显著进步发生在两篇文章由Michael b . Elowitz和Stanislas Leibler讨论了(2000年)建立生物遗传拨动开关电路装置和生物钟通过结合基因在大肠杆菌细胞(70、71)。在合成生物学的研究可以分为广义分类根据方法他们手边的问题:生物分子工程、标准化的生物部分,基因工程和基因设计[72]。因为自然生物系统的并发症,这将是简单的从头开始重建感兴趣的系统;直到提供工程代理人更容易理解,控制和操纵[73]。 Tables 1 and 2 show the collection of a list of tools, databases and methods for synthetic biology.

必要的基因

至关重要的基因是生物体的基因,被认为是其生存的关键。虽然,重要的是依赖于有机体的生活条件。举个例子,一个基因需要消化淀粉是重要的如果淀粉是唯一的能量来源。最近,系统尝试进行了检测和识别这些基因完全维持生命所需,提供所有营养物质[74]。这些实验导致的结论完全所需数量的细菌基因的约250 - 300。这些重要的基因编码蛋白保持中央复制DNA,新陈代谢,基因翻译成蛋白质,维持一个基本结构,以及调节运输过程的细胞。大多数基因都不重要但传达选择性有用和提高健康。

确定不同的组基因生存所必需的生物检测了维持生命的基本过程在一个环境[75]数组。本研究也适用于合成生物学家努力的起点设计生物[76]。尽管关键基因集的重要性,他们历来具有挑战性的收集,因为观察突变导致表型的困难。最近,转座子突变的配对与下一代测序(门店),集体称为转座子序列(Tn-seq),导致了一个引人注目的进步至关重要的基因集的检测(77、78)。Tn-seq的重要特征是使用高通量测序筛选每一个转座子突变体在集中的人口的健康来衡量每个突变对生存的影响。这个信息可以用来定量确定丧失突变在任何给定轨迹的影响,基因间的或基因内,在图书馆的条件种植[79]。至关重要的基因集42多样化的生物分布在这三个领域已经被定义[80]。Tn-seq最近开发的变化,随机条码测序(RB-TnSeq)转座子网站,进一步减少图书馆准备和测序成本的全基因组突变屏幕[81]。

尽管全基因组的扩散重要性屏幕,一套完整的重要基因尚未被定义为一种合成有机体。藻类,努力正在产生一个Tn-seq像系统在衣藻reinhardtii;然而,突变体库目前缺少充分的饱和度确定基因本质[82]。缺乏实验确定必要的基因集生物,尽管他们重视环境和工业生产,很大程度上是因为所需的难度和时间这些生物体的基因改造。因此,它已经作为一种模式生物开发和生产平台的燃料产品和高价值的化学物质[83]。

DNA合成

据报道,几组提供的合成基因序列长2000 bp,一段时间不超过2周。核苷酸从喷墨制造DNA芯片混合DNA错配纠错允许廉价大规模改变遗传密码子的系统来提高基因表达或小说氨基酸相结合。84此外,CRISPR / Cas系统出现作为一个有前途的基因编辑技术。它被誉为“合成生物学最重要的创新空间近30年。“虽然其他方法需要数年时间来编辑序列,CRISPR速度,时间周[84]。

DNA测序

合成生物学家开发利用DNA测序在几个方面的工作。首先,大规模基因组测序尝试继续提供天然生物信息的价值。这些信息提供了一个富有的基质的合成生物学家可以创建设备和部件。其次,合成生物学家测序应用于考虑他们的工程系统。第三,快速、廉价和可靠的测序还可以促进合成的快速探测和识别系统和生物[85]。

建模

模型通知生物系统的设计允许合成生物学家制造之前更好的预测系统的方式。合成生物学将利润从更好的模型的DNA编码所需的信息来确定细胞,生物分子结合基质和催化反应和多组分的综合系统的行为。新、多尺度模型的基因调控网络开发,专注于合成生物学用法。模拟一直使用这个模型有两个分子的相互作用在转录、翻译、监管、和诱导的基因调控网络,指导合成系统的设计[86 - 88]。

合成DNA

戏剧性的减少支出的核苷酸,寡核苷酸的DNA的大小使增加到基因组水平[89]。例如,研究人员报道合成9.6公斤碱基对的丙型肝炎病毒基因组从化学合成60到80 -即[90]。φ5386碱基对噬菌体的基因组组装在大约2周[91]。同一组了小说的合成基因组最小的细菌,m公司,并努力让它运作在一个活细胞[92]。

合成基因网络

合成生物开关可以选择和合并的一组基因,可控和可预测的方式进行交互,形成一个系统使用一个预设函数也称为合成基因电路。先进的治疗应用程序比构造高阶基因网络,工具箱well-controllable标准化和良好的部分应该是可用的。在某些情况下,这些简单的基因网络也用作治疗。执行逻辑操作的细胞,可编程的布尔逻辑门是创建于2004年,通过合并异构转录因子[93]。基因网络由一个布尔和门申请针对细胞和门活动时的预设情况都满足,导致凋亡基因的表达和细胞死亡[94]。布尔逻辑也被改造的基础上合成转录因子(TF)包含锌指图案(ZF)和定期聚集空间短回文的重复序列(CRISPR) / Cas9主题[95]。这些都是吸引人的部分工程高阶网络因为(我)CRISPR / Cas9和锌手指可以识别任何DNA序列,(2)他们可以不互相干扰。事实上,细菌CRISPR / Cas系统已被证明是容易的和多用途使用。最近,Qi et al。(2013)表明,一个endonuclease-deficient Cas9可以作为一个可编程的CRISPRi工具[96]大肠杆菌的基因沉默。介绍了抑制电路在哺乳动物细胞使用dCAS9系统[97]。 Recently, CRISPR regulatory devices were layered to get cascaded circuits and the expression of functional guide RNAs (gRNAs) from RNA polymerase II promoters and multiplexed production of gRNAs and proteins from a single transcript in human cells was made possible [98,99]. In the discussed switches, the switching molecule should be present in order to maintain the switch in either the OFF or ON state. To reversibly set the switch to OFF or ON positions by applying a trigger molecule, toggle switches have been developed [100]. Examples of how these toggle switches have been occupied include the presence of hormones or signalling molecules or monitoring the environment of immune cells in lymph nodes. Though more complicated in network topology, functionally, synthetic mammalian oscillators constitute synthetic biological parts that can be unified into higher-order circuits or to govern metabolic, signalling pathways and repair in mammalian cells. Such a synthetic oscillator has been developed by using a time-delayed negative feedback loop, but these systems have been shown to dampen their oscillations because of noise and/or epigenetic silencing [101-105]. The addition of a positive feedback loop may dominate these limitations and generate autonomous and tune able oscillatory expression of reporter genes [105]. A low-frequency mammalian oscillator has also been developed, by silencing of the tetracycline-controlled transactivator using siRNA encoded in the introns of the mRNA, in order to facilitate robust and autonomous expression of a fluorescent reporter protein with periods of 26 h [106]. In order to generate transcriptional and translational time-delay for tuning oscillators, inteins could also be employed [107]. All of these synthetic biological control circuits described in this section contribute to the development of mammalian cell biocomputers [108].

合成基因组学

合成基因组是一种合成生物学领域在诞生的时候,使用方面的基因改造的目的在预先存在的生命形式生产的一些产品或所期望的方式创建的生命形式。

人员能够建立一个首次合成有机体。它是通过合成一个600公斤碱基对基因组(类似于尿道支原体的)通过转换相关的重组和吉布森组装方法[109]。

合成生命

合成生物学的一个重要课题是合成生命,人工生命体外由生物分子及其组成材料。合成生命实验试着学习生活的一些属性,探索生命的起源或从非生物成分更雄心勃勃地重建生活。合成生物学试图创造新的生物分子甚至是新物种。在合成生物学领域,一个活生生的“人造细胞”被定义为一个完全synthetically-made细胞能维持离子梯度,捕获能量,含有大分子和有能力变异[110]。第一个与“人工”的DNA是生物大肠杆菌是复制扩大遗传字母[111]。完全合成基因组是生产和引入基因把细菌宿主细胞[112]。

道德和公众接受的问题

各种各样的潜在危害识别与合成生物学和相关的话题。瓜分这些潜在危害的一种方法是之间的个性我们称之为“物理伤害”和“非现实的危害。“这些潜在危害不是独特的合成生物学或合成生命,他们是相同的问题,已被指定为在其他新兴技术如神经科学、遗传学、纳米技术和干细胞研究。在文献中,我们观察到的公正一致的协议可能是合成生物学的潜在物理伤害,尽管有分歧如何可能的危害是萌芽和什么行动,如果任何代价是什么,应采取防止他们。爱好者往往采用pro-actionary方法物理伤害的风险,认为我们不应该搜索干扰出现的发展技术,除非我们有很好的理由怀疑它将造成严重的身体伤害。与自律,一些爱好者捍卫的使用公共资金的公众参与,主要是教育公众关于风险和利益,公众可以成为新兴技术的通知消费者。批评人士(那些关心进步)倾向于采取一种谨慎的观点,认为我们应该准备干扰一个新兴技术的发展,如果我们有充分的理由怀疑,它可能导致严重的人身伤害,他们通常在合成生物学看到这种风险。

批评者保卫监督、监管和形状的公众参与新兴技术的发展,如练习在一些国家在转基因食品和其他新兴技术和正在使用和研究纳米技术[113 - 115]。许多人介于批评家和爱好者之间的光谱,发现自己的见解之间的模糊。在非现实的危害的问题,我们观察到一些爱好者之间的协议和批评者,一些非物质损害正在讨论的话题。肯定还有更多的工作要做在识别、概念化和解决这些非物质损害,已经有一些接受,例如,担心专利的合法性可能减缓自愿开源实践的研究和解决这个问题的一种方法。但是,也有非现实的危害,迄今为止收到讨论合成生物学的漠视。这群非物质损害中心合适的自然和人类之间的关系的担忧和对人类是否必须创建新的类型的生活。我们建议那些领导和基金合成生物学搜索批判性评估,并仔细描述,物理和物质危害的担忧。这样做,他们应该利用我们的经验在其他新兴技术的背景下,这些问题包括神经科学、遗传学和纳米技术。还将是重要的,当检查担忧物理和非现实的危害,寻求仔细描述和批判性评估,对这些问题的理解和建议的反应,从内部制定谨慎和pro-actionary框架。我们需要更好地理解个人在我们的社会是什么意思时,引用担心一些合成生物学或合成生命是违背自然的(或者是扮演上帝)。 For those who believe that the job of human beings is to shape themselves and the rest of the natural world, synthetic biology is a clear next step, and concerns about “playing God” are incoherent. While powerful, that understanding of our place in the world is but one very specific understanding. For those who believe that the job of human beings is to accept and “let be” some features of themselves and the rest of the natural world those questions are worth taking seriously. By better understanding exactly what values are considered at play in the context of synthetic biology, we will be in a better circumstances to understand what action would be reasonable to recommend or expect. As with other harms, we should draw on our experience of these concerns in the context of other emerging technologies, including neuroscience, genetics and nanotechnology. Understanding and respect can affect the choice of experiments and eventual products, the communication of results and the direction of publicly funded programs. It can also make more receptive those who might initially have opposed synthetic biology.

抽象的趋势也在动物育种和遗传学一些相关主题图1所示。新的和传统的遗传体系结构可以定义使用系统生物学信息开放新颖应用在动物育种和遗传学的机会。生物标记物的生理状态可以用来繁殖最好的动物。现在,组学已经仅适用于处理一些物种的遗传问题。收集样本的实际问题和实施合适的实验设计也应该考虑,根据敏感性组学的环境条件。然而,预计这一领域和合成生物学的进步,移动瓶颈组学信息的解读和使用在动物育种和遗传学的新方法论的发展将有助于更好的定义方法在组学时代。此外,合成生物学是一个新兴的跨学科研究领域结合生物学、计算机科学和数学,旨在创建模型系统组件的动态交互。动物科学已经到达了基因组学数据爆炸的门槛。现在能够最有效的利用改进的知识结构、变化表达和合成动物基因组。合成生物学方法的应用程序使用这些组学信息将提供更好的洞察生物学。 Consequently, it will provide opportunities to monitor, modulate, and improve animal. Synthetic biology approaches require a close collaboration between many different disciplinary scientific communities that share resources, knowledge and technologies, and that are willing to integrate their data sets. With the development of synthetic biology approaches, we are entering the era of a predictive theoretical biology for farm animal as well as genetic manipulations.

我们愿意承认f . Marandi手稿有用的反馈。