發(fā)布日期：2018-03-29

  　基因編輯尤其是“基因魔剪”CRISPR的新聞報(bào)道幾乎每天都能見到。僅在3月份，就有兩篇引起廣泛關(guān)注的重磅成果，其一，曾與張峰合作開創(chuàng)“基因魔剪”CRISPR的科技大牛劉如謙（David Liu），利用基因編輯技術(shù)研發(fā)出給細(xì)胞活動拍照的“細(xì)胞記錄儀”（CAMERA）。正如黑匣子能記錄事故發(fā)生時(shí)的飛機(jī)狀態(tài)，警察的隨身相機(jī)能還原現(xiàn)場，“細(xì)胞記錄儀”能夠記

  　另一重大成果來自于中國科學(xué)家。上海科技大學(xué)與中科院馬普計(jì)算生物學(xué)研究所的研究人員在19日出版的《自然·生物技術(shù)》發(fā)表論文稱，他們開發(fā)出一系列基于CRISPR/Cpf1（Cas12a）的新型堿基編輯器（dCpf1-BE），理論上可對數(shù)百種引起人類疾病的基因突變進(jìn)行定點(diǎn)矯正，因此擁有巨大的臨床應(yīng)用潛力。

 　 近年來，CRISPR基因編輯技術(shù)甚至還曾兩次入選《科學(xué)》雜志年度十大科學(xué)突破榜單，基因編輯一詞一時(shí)成為大眾耳熟的科技名詞，但它源自哪里，何時(shí)流行，為何擁有令人驚羨的十八般武藝？大多數(shù)人并不“能詳”其一二。

　  前世 基因序列定點(diǎn)敲除或敲入

 　 自1953年美國生物學(xué)家詹姆斯·沃森和英國生物學(xué)家克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以來，人們一直都在積極探索高效便捷的基因編輯技術(shù)。到目前為止，基因編輯技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到了第三代。

  “基因編輯技術(shù)是一種可以對基因組或轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行精確修飾的技術(shù)，可完成基因定點(diǎn)突變、片段的敲除或敲入等。”河北醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)與健康研究院心血管研究中心學(xué)術(shù)帶頭人（PI）、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室孫紹光教授告訴科技日報(bào)記者。

　  20世紀(jì)80年代，基于小鼠胚胎干細(xì)胞及DNA同源重組技術(shù)的發(fā)展而催生的基因打靶技術(shù)，使生命科學(xué)研究發(fā)生了革命性改變。憑借該技術(shù)，科學(xué)家可以對小鼠等的基因序列進(jìn)行定點(diǎn)敲除或敲入。第一代基因編輯技術(shù)橫空出世。

　  所謂同源重組是在非姐妹染色單體之間或同一染色體上含有同源序列的DNA分子之間或分子內(nèi)進(jìn)行的重新組合。其中，基因敲除是把基因組中原有的刪除；基因敲入則是將原本不存在的基因整合進(jìn)基因組中。雖然科學(xué)家曾經(jīng)憑借該技術(shù)獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)，但是它存在一定的局限性。“它存在編輯效率低、操作難度大、周期長、花費(fèi)大、應(yīng)用范圍受限等缺點(diǎn)。”孫紹光說道。

　  第二代 借助核酸內(nèi)切酶進(jìn)行特定位點(diǎn)剪切

 　 為克服第一代基因編輯技術(shù)效率低、操作難等一系列局限，上世紀(jì)90年代，科學(xué)家又開發(fā)出依靠核酸內(nèi)切酶的第二代基因編輯技術(shù)，其中鋅指核酸酶（ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN）是最主流代表。

 　 ZFN是人工改造的限制性內(nèi)切酶，由鋅指DNA結(jié)合域和限制性內(nèi)切酶的DNA切割域融合而成。它們能夠識別并結(jié)合指定的位點(diǎn)，高效且精確地切斷靶標(biāo)DNA。因細(xì)胞天然具有的DNA修復(fù)能力可修復(fù)靶基因的斷裂，研究人員能夠?qū)μ囟ǖ幕蚪M位點(diǎn)進(jìn)行編輯。

　  TALEN技術(shù)是通過 DNA識別模塊將TALEN元件靶向特異性DNA位點(diǎn)并結(jié)合，然后在特定核酸酶作用下完成特定位點(diǎn)的剪切，并借助于細(xì)胞內(nèi)固有的修復(fù)過程完成基因組編輯。

　  今生 魔法剪刀手CRISPR及堿基編輯器

 　 CRISPR本是細(xì)菌防御病毒入侵的一種機(jī)制，2012年被科學(xué)家開發(fā)成為當(dāng)今可高效、精確、程序化地修改細(xì)胞基因組的熱門工具。

　　如果我們把病毒性感染視為一個(gè)定時(shí)炸彈，在它“爆炸”之前，細(xì)菌只有幾分鐘的時(shí)間來拆除這個(gè)炸彈。因此，許多細(xì)菌都有一種叫做CRISPR的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠探測到病毒DNA并將其破壞。而Cas9蛋白能在向?qū)NA的介導(dǎo)下靶向切割病毒DNA?？茖W(xué)家們基于Cas9的這一功能，將其開發(fā)為一種基因操作技術(shù)，精確刪除或插入特定的DNA片段。

　　CRISPR/Cas9技術(shù)之所以受到眾多科學(xué)家的熱捧，是因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)。“我們實(shí)驗(yàn)室就在用CRISPR/Cas9工具對基因的功能進(jìn)行研究，它操作簡便、成本低、周期大大縮短，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室就可以操作，可以在細(xì)胞水平也可以在動植物水平操作，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、微生物學(xué)等研究領(lǐng)域。”孫紹光說道。

　　近年來，雖然CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)被全球科學(xué)家們廣泛使用，但修復(fù)點(diǎn)突變一直是個(gè)未解的難題。為此，劉如謙團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種“堿基編輯器”，可以將細(xì)胞內(nèi)DNA的一種堿基換成另一種堿基，達(dá)到精準(zhǔn)編輯基因的目的。

　　在中學(xué)我們就知道，DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)由4種堿基組成：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）。其中，A和T配對，C和G配對，組成了人類的遺傳信息。問題是，胞嘧啶（C）容易發(fā)生脫氨突變，這樣一來，C-G就變成了A-T組合。這種單堿基變異導(dǎo)致了數(shù)百種遺傳性疾病，而堿基編輯器就可以把突變形成的A-T組合還原成C-G組合，為治愈這類遺傳病找到了新的方向。

　　未來 在研究和應(yīng)用中施展十八般武藝

　　基因編輯技術(shù)問世后，其應(yīng)用領(lǐng)域就迅速擴(kuò)大，包括開辟了分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究的新范疇，助推微生物、植物和動物的精準(zhǔn)基因改造，以及基因治療重大遺傳性疾病。

　　基因編輯技術(shù)可以對動植物基因進(jìn)行精準(zhǔn)的定點(diǎn)修飾，這樣不僅不影響動植物正常的生理功能，而且可以得到我們想要的動植物表現(xiàn)，譬如農(nóng)作物高產(chǎn)、家畜瘦肉率更高等等，從而培育人類需要的優(yōu)良品種。

　　在研究基因和疾病之間的關(guān)系時(shí)，科學(xué)家也可以通過基因編輯技術(shù)構(gòu)建一些具有遺傳性疾病的動物模型。“這對研究遺傳性疾病具有重大意義，這也是為什么大家從第一代就開始密切關(guān)注基因編輯技術(shù)的原因。”江蘇佰齡全基因生物醫(yī)學(xué)有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人胡昕華曾表示。

　　基因編輯技術(shù)最受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)屬基因治療和藥物研發(fā)。傳統(tǒng)的基因治療是將正常的基因片段引入細(xì)胞中替代有缺陷的基因，但是這種方法難以精準(zhǔn)定位，可能會產(chǎn)生很大的副作用。而基因編輯技術(shù)能夠準(zhǔn)確修正或切除基因，這對基因突變疾病來說，無疑是徹底根治的福音。藥物研發(fā)領(lǐng)域，應(yīng)用CRISPR的團(tuán)隊(duì)可以將定制療法更快地推向市場，加速藥物研發(fā)過程。

來源：科技日報(bào)