基因编辑

基因编辑（gene editing），又称基因组编辑（genome edting）或基因组工程（genome engineering），是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行定点“编辑”，实现对特定DNA片段的修饰。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。

基因编辑
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简介

基因编辑（gene editing），又称基因组编辑（genome edting）或基因组工程（genome engineering），是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术或过程。

早期的基因工程技术只能将将外源或内源遗传物质随机插入宿主基因组，基因编辑则能定点编辑想要编辑的基因。

基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。这种靶向突变就是基因编辑。

基因编辑以其能够高效率地进行定点基因组编辑， 在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。

核酸酶

基因编辑的关键是在基因组内特定位点创建DSB。常用的限制酶在切割DNA方面是有效的，但它们通常在多个位点进行识别和切割，特异性较差。为了克服这一问题并创建特定位点的DSB，人们对四种不同类型的核酸酶进行了生物工程改造。它们分别是巨型核酸酶（Meganuclease）、锌指核酸酶（ZFNs），转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）和成簇规律间隔短回文重复（CRISPR / Cas9）系统 [1-2] 。ZFN、TALEN和巨型核酸酶被Nature Methods选为2011年度方法。 CRISPR-Cas系统被科学界选为2015年度最佳突破。

巨型核酸酶

巨型核酸酶是一种脱氧核糖核酸内切酶，其特征在于它的识别位点较大（12至40个碱基对的双链DNA序列）。因此，该位点通常在任何给定的基因组中仅发生一次。因此，巨型核酸酶被认为是最特异的天然存在的核酸酶。

锌指核酸酶

锌指核酸酶是一个经过人工修饰的核酸酶，它通过将一个锌指DNA结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而产生。通过设计锌指结构域就可以实现对目的基因的特定DNA序列的靶向切割，这也使得锌指核酸酶能够定位于复杂基因组内的独特的靶向序列。通过利用内源DNA修复机制，锌指核酸酶可用于精确修饰高等生物的基因组。

转录激活样效应因子核酸酶

TALEN是经过基因工程改造后的可以切割特定DNA序列的限制酶。TALEN是通过将一个TAL效应子DNA结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而获得的。TALENs可以被设计成与几乎任何所需的DNA序列结合，因此当与核酸酶结合时，DNA可以在特定位置进行切割。

成簇规律间隔短回文重复

CRISPR-Cas系统是原核免疫系统，赋予原核生物对如存在于质粒和噬菌体中的外来遗传物质的抗性，是一种获得性免疫系统。携带间隔序列的RNA有助于Cas（CRISPR相关）蛋白识别并切割外源致病DNA。其它RNA指导的Cas蛋白切割外源RNA。

CRISPR-Cas系统是应用最广泛的基因编辑工具。

核酸酶的精确度和效率

在上述几种核酸酶中效率最低的是巨型核酸酶，受到其DNA结合元件和切割元件制约，它在每1,000个核苷酸中才能识别一个潜在的靶标。开发ZFN克服了巨型核酸酶的局限性，ZFN在每140个核苷酸中可有一个识别位点。但因为DNA结合元件的相互影响，巨型核酸酶和ZFN两种方法的精确度都是不可预测的。因此，需要高度专业知识和冗长且昂贵的验证过程。TALEN是最精确和特异的核酸酶，比前两种方法有更高的效率。因为DNA结合元件由一系列TALE亚基组成，每个亚基具有识别独立于其他亚基的特定DNA核苷酸链的能力，从而产生具有高精度的更高数目的靶位点。生产一个新的TALEN核酸酶大约需要一周时间和几百美元。与TALE核酸酶相比，CRISPR核酸酶的精确度略低。这是由于CRISPR-Cas需要在一端拥有一个特定核苷酸以产生CRISPR修复断裂双链的指导RNA。但CRIPSR-Cas已被证明是最快捷、最便宜的方法，只花费不到两百美元和几天的时间。CRISPR对ZFN和TALEN方法的一个主要优点是可以使用其~80nt CRISPR sgRNA直接定位不同的DNA序列，而ZFN和TALEN方法都需要对定位到每个DNA序列的蛋白质进行构建和测试。

活性核酸酶的脱靶效应可能会在遗传和生物水平上产生潜在的危险。研究发现，ZFNs往往比TALEN方法或CRISPR-Cas具有更多的细胞毒性，而TALEN和CRISPR-Cas的方法往往具有最高的效率和较少的脱靶效应。这些核酸酶中，TALEN方法精确度最高。

技术应用

基因编辑已经开始应用于基础理论研究和生产应用中，这些研究和应用，有助于生命科学的许多领域，从研究植物和动物的基因功能到人类的基因治疗。下面主要介绍基因编辑在动植物上的应用。

动物基因的靶向修饰

基因编辑和牛体外胚胎培养等繁殖技术结合，允许使用合成的高度特异性的内切核酸酶直接在受精卵母细胞中进行基因组编辑。 CRISPR-Cas9进一步增加了基因编辑在动物基因靶向修饰的应用范围。CRISPR-Cas9允许通过细胞质直接注射（CDI）从而实现对哺乳动物受精卵多个靶标的一次性同时敲除（KO）。

单细胞基因表达分析已经解决了人类发育的转录路线图，从中发现了关键候选基因用于功能研究。使用全基因组转录组学数据指导实验，基于CRISPR的基因组编辑工具使得干扰或删除关键基因以阐明其功能成为可能。

植物基因的靶向修饰

植物基因的靶向修饰是基因编辑应用最广泛的领域。首先可以通过修饰内源基因来帮助设计所需的植物性状。例如，可以通过基因编辑将重要的性状基因添加到主要农作物的特定位点，通过物理连接确保它们在育种过程中的共分离，这又称为“性状堆积”。其次，可以产生耐除草剂作物。比如，使用ZFN辅助的基因打靶，将两种除草剂抗性基因（烟草乙酰乳酸合成酶SuRA和SuRB）引入作物。再次，可以用来防治各种病害如香蕉的条纹病毒。

此外，基因编辑技术还被应用于改良农产品质量，比如改良豆油品质和增加马铃薯的储存潜力。

技术突破

2019年8月27日，美国科学家借助基因编辑技术CRISPR-Cas9，制造出了第一种经过基因编辑的爬行动物——一些小型白化蜥蜴，这是该技术首次用于爬行动物。由于白化病患者经常有视力问题，因此，最新突破有助于研究基因缺失如何影响视网膜发育。

未来发展前景

未来的一个重要目标必须是提高核酸酶的安全性和特异性，提高检测脱靶事件的能力，掌握预防方法。ZFNs中使用的锌指很少完全特异，有些还可能引起毒性反应。对ZFN的切割结构域进行修饰可以降低毒性。

此外，要加强对DNA重组和DNA修复机制的认识。

CRISPR的简易性和低成本，使得其获得广泛的研究和应用。由于其精确性和效率，CRISPR和TALEN都有望成为大规模生产中的选择。

对首例基因编辑婴儿的社会质疑

2018年11月，中国科学家贺建奎在深圳宣布，他们团队创造的一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿已顺利诞生。这对双胞胎的一个基因经过修改，使她们出生后就能天然抵抗艾滋病。这个世界首例基因编辑婴儿的横空出世，迎来了从科学家群体到普通民众对人类实施基因编辑伦理的正当性甚至事件真实性的普遍质疑。