從同源重組到鹼基編輯器 看基因編輯72變
基因編輯尤其是“基因魔剪”CRISPR的新聞報道幾乎每天都能見到。僅在3月份，就有兩篇引起廣泛關注的重磅成果，其一，曾與張峰合作開創“基因魔剪”CRISPR的科技大牛劉如謙（David Liu），利用基因編輯技術研發出給細胞活動拍照的“細胞記錄儀”（CAMERA）。正如黑匣子能記錄事故發生時的飛機狀態，警察的隨身相機能還原現場，“細胞記錄儀”能夠記錄細胞在光照、抗生素、病毒感染後的活動變化。
另一重大成果來自於中國科學家。上海科技大學與中科院馬普計算生物學研究所的研究人員在19日出版的《自然·生物技術》發表論文稱，他們開發出一系列基於CRISPR/Cpf1（Cas12a）的新型鹼基編輯器（dCpf1-BE），理論上可對數百種引起人類疾病的基因突變進行定點矯正，因此擁有巨大的臨牀應用潛力。
近年來，CRISPR基因編輯技術甚至還曾兩次入選《科學》雜誌年度十大科學突破榜單，基因編輯一詞一時成爲大衆耳熟的科技名詞，但它源自哪裡，何時流行，爲何擁有令人驚羨的十八般武藝？大多數人並不“能詳”其一二。
前世 基因序列定點敲除或敲入
自1953年美國生物學家詹姆斯·沃森和英國生物學家克里克發現DNA雙螺旋結構以來，人們一直都在積極探索高效便捷的基因編輯技術。到目前爲止，基因編輯技術的發展已經到了第三代。
“基因編輯技術是一種可以對基因組或轉錄產物進行精確修飾的技術，可完成基因定點突變、片段的敲除或敲入等。”河北醫科大學醫學與健康研究院心血管研究中心學術帶頭人（PI）、基礎醫學院生物化學與分子生物學教研室孫紹光教授告訴科技日報記者。
20世紀80年代，基於小鼠胚胎幹細胞及DNA同源重組技術的發展而催生的基因打靶技術，使生命科學研究發生了革命性改變。憑藉該技術，科學家可以對小鼠等的基因序列進行定點敲除或敲入。第一代基因編輯技術橫空出世。
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分子之間或分子內進行的重新組合。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基因組中。雖然科學家曾經憑藉該技術獲得了諾貝爾醫學生理學獎，但是它存在一定的侷限性。“它存在編輯效率低、操作難度大、週期長、花費大、應用範圍受限等缺點。”孫紹光說道。
爲克服第一代基因編輯技術效率低、操作難等一系列侷限，上世紀90年代，科學家又開發出依靠核酸內切酶的第二代基因編輯技術，其中鋅指核酸酶（ZFN）和轉錄激活因子樣效應因子核酸酶（TALEN）是最主流代表。
ZFN是人工改造的限制性內切酶，由鋅指DNA結合域和限制性內切酶的DNA切割域融合而成。它們能夠識別並結合指定的位點，高效且精確地切斷靶標DNA。因細胞天然具有的DNA修復能力可修復靶基因的斷裂，研究人員能夠對特定的基因組位點進行編輯。
TALEN技術是通過 DNA識別模塊將TALEN元件靶向特異性DNA位點並結合，然後在特定核酸酶作用下完成特定位點的剪切，並藉助於細胞內固有的修復過程完成基因組編輯。
CRISPR本是細菌防禦病毒入侵的一種機制，2012年被科學家開發成爲當今可高效、精確、程序化地修改細胞基因組的熱門工具。
如果我們把病毒性感染視爲一個定時炸彈，在它“爆炸”之前，細菌只有幾分鐘的時間來拆除這個炸彈。因此，許多細菌都有一種叫做CRISPR的適應性免疫系統，這個系統能夠探測到病毒DNA並將其破壞。而Cas9蛋白能在嚮導RNA的介導下靶向切割病毒DNA。科學家們基於Cas9的這一功能，將其開發爲一種基因操作技術，精確刪除或插入特定的DNA片段。
CRISPR/Cas9技術之所以受到衆多科學家的熱捧，是因爲它有一系列優點。“我們實驗室就在用CRISPR/Cas9工具對基因的功能進行研究，它操作簡便、成本低、週期大大縮短，在常規實驗室就可以操作，可以在細胞水平也可以在動植物水平操作，已被廣泛應用於醫學、農學、微生物學等研究領域。”孫紹光說道。
近年來，雖然CRISPR/Cas9基因編輯技術被全球科學家們廣泛使用，但修復點突變一直是個未解的難題。爲此，劉如謙團隊開發出一種“鹼基編輯器”，可以將細胞內DNA的一種鹼基換成另一種鹼基，達到精準編輯基因的目的。
在中學我們就知道，DNA 的雙螺旋結構由4種鹼基組成：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）容易發生脫氨突變，這樣一來，C-G就變成了A-T組合。這種單鹼基變異導致了數百種遺傳性疾病，而鹼基編輯器就可以把突變形成的A-T組合還原成C-G組合，爲治癒這類遺傳病找到了新的方向。
未來 在研究和應用中施展十八般武藝
基因編輯技術問世後，其應用領域就迅速擴大，包括開闢了分子生物學基礎研究的新範疇，助推微生物、植物和動物的精準基因改造，以及基因治療重大遺傳性疾病。
基因編輯技術可以對動植物基因進行精準的定點修飾，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，譬如農作物高產、家畜瘦肉率更高等等，從而培育人類需要的優良品種。
在研究基因和疾病之間的關係時，科學家也可以通過基因編輯技術構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，這也是爲什麼大家從第一代就開始密切關注基因編輯技術的原因。”江蘇佰齡全基因生物醫學有限公司聯合創始人胡昕華曾表示。
基因編輯技術最受關注的應用領域當屬基因治療和藥物研發。傳統的基因治療是將正常的基因片段引入細胞中替代有缺陷的基因，但是這種方法難以精準定位，可能會產生很大的副作用。而基因編輯技術能夠準確修正或切除基因，這對基因突變疾病來說，無疑是徹底根治的福音。藥物研發領域，應用CRISPR的團隊可以將定製療法更快地推向市場，加速藥物研發過程。
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