一口氣告訴你，基因編輯技術(shù)的“前世今生”

DNA是絕大部分生物的遺傳信息的儲(chǔ)存介質(zhì)，由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四種核苷酸組成，并且嚴(yán)格遵守A-T,C-G的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，DNA鏈上這四種核苷酸的排列信息就是生物體的主要遺傳信息?；蚴强刂粕镄誀畹幕具z傳單位，即一段攜帶特定遺傳信息的DNA序列，主要通過(guò)翻譯出對(duì)應(yīng)的效用蛋白發(fā)揮功能。

圖1. DNA的結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
  基因異常往往導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生：如在超過(guò)50%的人類腫瘤中都能檢測(cè)到編碼p53蛋白的基因的突變（喪失活性）；Rag1等基因的突變會(huì)導(dǎo)致重癥聯(lián)合免疫缺陷，患兒終生不能接觸外界空氣，只能終生生活在隔絕容器內(nèi)（圖2）。  
圖2. 終生生活在隔離容器內(nèi)的美國(guó)男孩大衛(wèi)·維特（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
  什么是基因編輯技術(shù)？
  基因編輯技術(shù)是指特異性改變目標(biāo)基因序列的技術(shù)。目前主要的基因編輯技術(shù)都是基于如下原理發(fā)展而來(lái)的：在細(xì)胞內(nèi)利用外源切割復(fù)合體特異性識(shí)別并切割目的基因序列，在目的基因序列上制造斷裂端，這種斷裂端隨即會(huì)被細(xì)胞內(nèi)部的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)，重新連接起來(lái)。在此修復(fù)過(guò)程中，當(dāng)有修復(fù)模板存在時(shí)，細(xì)胞會(huì)以修復(fù)模板為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因序列的特異性改變，即基因編輯（圖3）。

  圖3 基因編輯技術(shù)的基本原理示意圖
  要實(shí)現(xiàn)基因編輯，外源切割復(fù)合體必須滿足兩個(gè)條件：
  ① 切割復(fù)合體必須可以特異性地識(shí)別和結(jié)合至目的基因DNA序列上，這是各種基因編輯技術(shù)的主要差異所在，也是發(fā)展基因編輯技術(shù)的大困難所在；
  ② 切割復(fù)合體必須具有切割DNA，制造斷裂端的功能；
  基因編輯技術(shù)的簡(jiǎn)要發(fā)展歷史
  自1953年沃森和克里克兩位科學(xué)家提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)以來(lái)，人們一直都在積極探索著高效便利的基因編輯技術(shù)：
  上世紀(jì)80年代，科學(xué)家在小鼠胚胎干細(xì)胞中通過(guò)基因打靶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基因編輯（2007年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)），但此技術(shù)在其余細(xì)胞內(nèi)效率極低，應(yīng)用受到了極大的限制；   上世紀(jì)90年代，基于細(xì)胞內(nèi)不同鋅指蛋白可特異性識(shí)別DNA上3聯(lián)堿基的特征以及核酸酶FokI二聚化后可以切割DNA的特點(diǎn)，人們通過(guò)鋅指蛋白偶聯(lián)Fokl的策略逐漸發(fā)展出了一種新的基因編輯技術(shù)--鋅指蛋白核酸酶技術(shù)（Zinc Finger Nucleases, ZFNs）。但此技術(shù)專利被公司壟斷，且鋅指蛋白數(shù)量有限，可以識(shí)別的DNA序列數(shù)量有限，其應(yīng)用也受到了很大的限制。   隨后，基于改造后的植物病原菌中黃單胞菌屬的TAL蛋白可以特異性識(shí)別DNA中一個(gè)堿基的特性，人們又發(fā)展出了新的基因組編輯技術(shù)--轉(zhuǎn)錄激活樣因子核酸酶技術(shù)（Transc[x]ription activator-like effector nucleases, TALENs）。此技術(shù)理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意基因序列的編輯，但其操作過(guò)程較為繁瑣，一定程度上限制了其應(yīng)用。
  近年來(lái)，基于細(xì)菌規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR)系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的新一代基因組編輯技術(shù)--CRISPR/Cas9技術(shù)，使得基因編輯變得更為簡(jiǎn)易、高效。值得提出的是，華裔科學(xué)家張鋒教授對(duì)于CRISPR/Cas9技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn)，是目前這一領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物之一。
  基因編輯技術(shù)的新發(fā)展
  由于目前為廣泛應(yīng)用的CRISPR/Cas9技術(shù)仍然存在著無(wú)法對(duì)所有基因序列實(shí)現(xiàn)編輯、可能錯(cuò)誤編輯其余基因、切割復(fù)合體中RNA容易降解導(dǎo)致復(fù)合體不穩(wěn)定等一些不足之處，人們主要從以下幾個(gè)方面優(yōu)化發(fā)展新的基因編輯技術(shù)：
  1) 優(yōu)化CRISPR的蛋白序列，使得其可以識(shí)別更多的序列，并且能夠更為有效地編輯基因序列；
  2) 尋找新的具有特異性識(shí)別和切割目的基因序列的蛋白。如張鋒教授在去年報(bào)道的Cpf1，已被證實(shí)為一類新的基因編輯工具；而目前引起廣泛爭(zhēng)議和關(guān)注的我國(guó)河北科技大學(xué)韓春雨教授在今年初報(bào)道的NgAgo，如果其真的可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的基因編輯，也是一類新的基因編輯工具，是目前各種基因編輯工具的有效補(bǔ)充；近期，我國(guó)南京大學(xué)學(xué)者又開(kāi)發(fā)了一類新的基因編輯工具—SGN，也引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。
  基因編輯技術(shù)的應(yīng)用
  隨著CRISPR/Cas9等新型基因編輯技術(shù)的迅猛發(fā)展，基因編輯技術(shù)在諸多方面都有著極為廣闊而光明的應(yīng)用前景：
  1) 畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)方面，現(xiàn)在已經(jīng)在包括雞、牛、羊等重要家畜和玉米、水稻、棉花等重要經(jīng)濟(jì)作物中實(shí)現(xiàn)了基因改造，有效地提高了這些家畜和經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量；
  2) 醫(yī)療健康方面，一方面，對(duì)于先天性基因突變致病患者，利用基因編輯技術(shù)改正突變的基因，可以為這些疾病的提供希望。如在2013年，我國(guó)科學(xué)家上海生化細(xì)胞所的李勁松教授就利用CRISPR/Cas9技術(shù)治愈了小鼠的白內(nèi)障遺傳疾病。另一方面，基因編輯技術(shù)還有望為治愈一些重大疾病的提供希望，如利用基因編輯技術(shù)改造艾滋病病毒HIV-1攜帶者免疫細(xì)胞中的CCR5基因，可以使得細(xì)胞不再受HIV-1病毒感染，有望成為戰(zhàn)勝艾滋病的有力武器。
  結(jié)語(yǔ)：  
 迅猛發(fā)展的基因編輯技術(shù)正在給我們的生活帶來(lái)巨大的變化，在享受先進(jìn)科學(xué)技術(shù)帶來(lái)的種種福利的同時(shí)，我們也必須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于基因編輯技術(shù)的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用管理，以確保這一先進(jìn)技術(shù)得到正確而有效地應(yīng)用。