基因編輯

基因編輯（gene editing），又稱基因組編輯（genome edting）或基因組工程（genome engineering），是一種新興的比較精確的能對生物體基因組特定目標基因進行修飾的一種基因工程技術。基因編輯技術指能夠讓人類對目標基因進行定點「編輯」，實現對特定DNA片段的修飾。基因編輯依賴於經過基因工程改造的核酸酶，也稱「分子剪刀」，在基因組中特定位置產生位點特異性雙鏈斷裂（DSB），誘導生物體通過非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）來修復DSB，因為這個修復過程容易出錯，從而導致靶向突變。

基因編輯
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簡介

基因編輯（gene editing），又稱基因組編輯（genome edting）或基因組工程（genome engineering），是一種新興的比較精確的能對生物體基因組特定目標基因進行修飾的一種基因工程技術或過程。

早期的基因工程技術只能將將外源或內源遺傳物質隨機插入宿主基因組，基因編輯則能定點編輯想要編輯的基因。

基因編輯依賴於經過基因工程改造的核酸酶，也稱「分子剪刀」，在基因組中特定位置產生位點特異性雙鏈斷裂（DSB），誘導生物體通過非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）來修復DSB，因為這個修復過程容易出錯，從而導致靶向突變。這種靶向突變就是基因編輯。

基因編輯以其能夠高效率地進行定點基因組編輯， 在基因研究、基因治療和遺傳改良等方面展示出了巨大的潛力。

核酸酶

基因編輯的關鍵是在基因組內特定位點創建DSB。常用的限制酶在切割DNA方面是有效的，但它們通常在多個位點進行識別和切割，特異性較差。為了克服這一問題並創建特定位點的DSB，人們對四種不同類型的核酸酶進行了生物工程改造。它們分別是巨型核酸酶（Meganuclease）、鋅指核酸酶（ZFNs），轉錄激活樣效應因子核酸酶（TALEN）和成簇規律間隔短回文重複（CRISPR / Cas9）系統 [1-2] 。ZFN、TALEN和巨型核酸酶被Nature Methods選為2011年度方法。 CRISPR-Cas系統被科學界選為2015年度最佳突破。

巨型核酸酶

巨型核酸酶是一種脫氧核糖核酸內切酶，其特徵在於它的識別位點較大（12至40個鹼基對的雙鏈DNA序列）。因此，該位點通常在任何給定的基因組中僅發生一次。因此，巨型核酸酶被認為是最特異的天然存在的核酸酶。

鋅指核酸酶

鋅指核酸酶是一個經過人工修飾的核酸酶，它通過將一個鋅指DNA結合結構域與核酸酶的一個DNA切割結構域融合而產生。通過設計鋅指結構域就可以實現對目的基因的特定DNA序列的靶向切割，這也使得鋅指核酸酶能夠定位於複雜基因組內的獨特的靶向序列。通過利用內源DNA修復機制，鋅指核酸酶可用於精確修飾高等生物的基因組。

轉錄激活樣效應因子核酸酶

TALEN是經過基因工程改造後的可以切割特定DNA序列的限制酶。TALEN是通過將一個TAL效應子DNA結合結構域與核酸酶的一個DNA切割結構域融合而獲得的。TALENs可以被設計成與幾乎任何所需的DNA序列結合，因此當與核酸酶結合時，DNA可以在特定位置進行切割。

成簇規律間隔短回文重複

CRISPR-Cas系統是原核免疫系統，賦予原核生物對如存在於質粒和噬菌體中的外來遺傳物質的抗性，是一種獲得性免疫系統。攜帶間隔序列的RNA有助於Cas（CRISPR相關）蛋白識別並切割外源致病DNA。其它RNA指導的Cas蛋白切割外源RNA。

CRISPR-Cas系統是應用最廣泛的基因編輯工具。

核酸酶的精確度和效率

在上述幾種核酸酶中效率最低的是巨型核酸酶，受到其DNA結合元件和切割元件制約，它在每1,000個核苷酸中才能識別一個潛在的靶標。開發ZFN克服了巨型核酸酶的局限性，ZFN在每140個核苷酸中可有一個識別位點。但因為DNA結合元件的相互影響，巨型核酸酶和ZFN兩種方法的精確度都是不可預測的。因此，需要高度專業知識和冗長且昂貴的驗證過程。TALEN是最精確和特異的核酸酶，比前兩種方法有更高的效率。因為DNA結合元件由一系列TALE亞基組成，每個亞基具有識別獨立於其他亞基的特定DNA核苷酸鏈的能力，從而產生具有高精度的更高數目的靶位點。生產一個新的TALEN核酸酶大約需要一周時間和幾百美元。與TALE核酸酶相比，CRISPR核酸酶的精確度略低。這是由於CRISPR-Cas需要在一端擁有一個特定核苷酸以產生CRISPR修復斷裂雙鏈的指導RNA。但CRIPSR-Cas已被證明是最快捷、最便宜的方法，只花費不到兩百美元和幾天的時間。CRISPR對ZFN和TALEN方法的一個主要優點是可以使用其~80nt CRISPR sgRNA直接定位不同的DNA序列，而ZFN和TALEN方法都需要對定位到每個DNA序列的蛋白質進行構建和測試。

活性核酸酶的脫靶效應可能會在遺傳和生物水平上產生潛在的危險。研究發現，ZFNs往往比TALEN方法或CRISPR-Cas具有更多的細胞毒性，而TALEN和CRISPR-Cas的方法往往具有最高的效率和較少的脫靶效應。這些核酸酶中，TALEN方法精確度最高。

技術應用

基因編輯已經開始應用於基礎理論研究和生產應用中，這些研究和應用，有助於生命科學的許多領域，從研究植物和動物的基因功能到人類的基因治療。下面主要介紹基因編輯在動植物上的應用。

動物基因的靶向修飾

基因編輯和牛體外胚胎培養等繁殖技術結合，允許使用合成的高度特異性的內切核酸酶直接在受精卵母細胞中進行基因組編輯。 CRISPR-Cas9進一步增加了基因編輯在動物基因靶向修飾的應用範圍。CRISPR-Cas9允許通過細胞質直接注射（CDI）從而實現對哺乳動物受精卵多個靶標的一次性同時敲除（KO）。

單細胞基因表達分析已經解決了人類發育的轉錄路線圖，從中發現了關鍵候選基因用於功能研究。使用全基因組轉錄組學數據指導實驗，基於CRISPR的基因組編輯工具使得干擾或刪除關鍵基因以闡明其功能成為可能。

植物基因的靶向修飾

植物基因的靶向修飾是基因編輯應用最廣泛的領域。首先可以通過修飾內源基因來幫助設計所需的植物性狀。例如，可以通過基因編輯將重要的性狀基因添加到主要農作物的特定位點，通過物理連接確保它們在育種過程中的共分離，這又稱為「性狀堆積」。其次，可以產生耐除草劑作物。比如，使用ZFN輔助的基因打靶，將兩種除草劑抗性基因（煙草乙酰乳酸合成酶SuRA和SuRB）引入作物。再次，可以用來防治各種病害如香蕉的條紋病毒。

此外，基因編輯技術還被應用於改良農產品質量，比如改良豆油品質和增加馬鈴薯的儲存潛力。

技術突破

2019年8月27日，美國科學家藉助基因編輯技術CRISPR-Cas9，製造出了第一種經過基因編輯的爬行動物——一些小型白化蜥蜴，這是該技術首次用於爬行動物。由於白化病患者經常有視力問題，因此，最新突破有助於研究基因缺失如何影響視網膜發育。

未來發展前景

未來的一個重要目標必須是提高核酸酶的安全性和特異性，提高檢測脫靶事件的能力，掌握預防方法。ZFNs中使用的鋅指很少完全特異，有些還可能引起毒性反應。對ZFN的切割結構域進行修飾可以降低毒性。

此外，要加強對DNA重組和DNA修復機制的認識。

CRISPR的簡易性和低成本，使得其獲得廣泛的研究和應用。由於其精確性和效率，CRISPR和TALEN都有望成為大規模生產中的選擇。

對首例基因編輯嬰兒的社會質疑

2018年11月，中國科學家賀建奎在深圳宣布，他們團隊創造的一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒已順利誕生。這對雙胞胎的一個基因經過修改，使她們出生後就能天然抵抗艾滋病。這個世界首例基因編輯嬰兒的橫空出世，迎來了從科學家群體到普通民眾對人類實施基因編輯倫理的正當性甚至事件真實性的普遍質疑。