【摘要】什么是基因編輯，基因編輯又是什么意思?據(jù)最新消息顯示，基因編輯，又稱基因組編輯或基因組工程，是一種新興的比較精確的能對生物體基因組特定目標(biāo)基因進(jìn)行修飾的一種基因工程技術(shù)。

北京時間10月7日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2020年度諾貝爾化學(xué)獎授予科學(xué)家伊曼紐爾·夏彭蒂埃(Emmanuelle Charpentier)和珍妮弗·A·杜德娜(Jennifer A. Doudna)，獎勵她們在基因組編輯方法上的突破。

諾貝爾獎委員會在官方新聞稿中稱：“自2012年夏彭蒂埃和杜德娜發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9基因“魔剪”以來，它們的使用量激增......將生命科學(xué)帶入了一個新時代，并在許多方面為人類帶來了最大利益。”

基因編輯(Genome Editing)，又稱基因組工程，是遺傳工程的一種，是指在活體基因組中進(jìn)行DNA插入、刪除、修改或替換的一項技術(shù)。其與早期的遺傳工程技術(shù)的不同之處在于，早期的遺傳工程技術(shù)是在宿主的基因、基因組中進(jìn)行隨機(jī)插入基因物質(zhì)，而基因編輯是在特定位置插入基因片段。

為什么要進(jìn)行基因編輯

基因可被視作基本遺傳單位，支持著生命的基本構(gòu)造和性能。儲存著生命的種族、血型、孕育、生長、凋亡等過程的全部信息。生物體的生、長、衰、病、老、死等一切生命現(xiàn)象都與基因有關(guān)。它也是決定生命健康的內(nèi)在因素。因此，基因具有雙重屬性：物質(zhì)性(存在方式)和信息性(根本屬性)。

可以說，基因決定性狀表現(xiàn)，雙眼皮，大眼睛都是由基因決定的(整容除外)。除了外在的特征表現(xiàn)，基因更大的決定性作用體現(xiàn)在內(nèi)部。由于基因的數(shù)量眾多，攜帶的信息也是海量，在復(fù)制過程中可能或出現(xiàn)錯誤，造成基因缺陷，這種缺陷還具有遺傳性。

1987年諾貝爾諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主利根川進(jìn)曾表示，除了外傷，一切疾病都與基因有關(guān)。遺傳基因缺陷也是引發(fā)疾病的三大根本原因之一。

例如，美國演員安吉麗娜·朱莉家族遺傳了突變的BRCA1基因。BRCA1本是具有抑制惡性腫瘤發(fā)生作用的基因，其通過編碼產(chǎn)生腫瘤抑制蛋白。如果發(fā)生突變，其蛋白產(chǎn)物不進(jìn)行或不能正常行使功能，DNA損傷可能得不到適當(dāng)?shù)男迯?fù)，從而使細(xì)胞可能形成其他遺傳信息的改變，導(dǎo)致癌癥。

正是由于這一基因作祟，朱莉家族中的女性多患乳腺癌和卵巢癌，根據(jù)基因檢測，她本人患乳腺癌和卵巢癌的幾率也高達(dá)87%和50%。為了防范患癌風(fēng)險，她最終選擇切除雙側(cè)乳腺。

除了癌癥外，常見的遺傳性疾病還有地中海貧血、先天性肌強(qiáng)直、血友病、白化病、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤以及家族性結(jié)腸息肉病等。

遺傳疾病由于有基因造成，所以幾乎不可能治愈，患者需要終身用藥以緩解病癥，不止承受巨大的身體和心理壓力，經(jīng)濟(jì)壓力也同樣令人難以承受。

有沒有一勞永逸的辦法呢?

基因編輯，人類走出了三條路

用藥講究對癥下藥，遺傳疾病的根源就在于基因缺陷，因此，要一勞永逸的解決遺傳疾病，可以利用基因編輯。

人類目前已經(jīng)開發(fā)出了三種編輯手段，分別是鋅指核酸酶(Zinc Finger Nucleases, ZFN)，轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶(Transcription Activator-like Effect Nucleases,TALEN)和成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR/Cas9)系統(tǒng)。

要進(jìn)行基因編輯，首先就需要將產(chǎn)生變異的基因“切割”，在基因這樣微觀的級別上進(jìn)行切除，對工具的要求就很高。

“切割”的實質(zhì)就是在基因組內(nèi)特定位點創(chuàng)建DNA雙鏈斷裂(Double-Strand Breakage,DSB)，也就是在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中兩條主鏈的同一對應(yīng)處或緊密相鄰處同時斷裂。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖

在研究中，人們發(fā)現(xiàn)核酸酶在“切割”方面表現(xiàn)不錯。那么這種酶是如何實現(xiàn)切割的呢?

從上圖我們可以看出，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)包含兩個部分，即兩個長鏈和與其垂直的數(shù)個“短杠”。其中，兩個長鏈被稱為主鏈(backbone)，“短杠”實則為堿基對(basepair,bp)。主鏈直徑2nm，主鏈間距3.4nm，一個螺旋周期包含10對堿基，相鄰堿基間距0.34nm。

切割是在主鏈上進(jìn)行的，兩個切割點應(yīng)當(dāng)處于相對應(yīng)的位置。主鏈由脫氧核糖和磷酸基通過酯鍵交替連接而成，而核酸酶剛好可以將這種鍵結(jié)切斷，進(jìn)而在兩條主鏈上各產(chǎn)生一個切口，且不破壞堿基對。

由于切割需要在特定的基因片段上進(jìn)行，因此首先就需要識別出特定片段。遺憾的是，核酸酶通常在多個位點進(jìn)行識別和切割，特異性較差。

為了解決識別問題，科學(xué)家對一些核酸酶進(jìn)行了改造，這就包括上面提到的ZFN,TALEN和CRISPR/Cas9。

第一代基因編輯手段采用的就是ZFNs，這種酶由兩個功能結(jié)構(gòu)域組成：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和DNA切割結(jié)構(gòu)域。

一個DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域包含一個雙指模塊鏈，每個模塊識別一個獨特的六聚體(即6個堿基對)DNA序列。這一結(jié)構(gòu)域就充當(dāng)定位器的作用，用于識別特定片段。當(dāng)其與DNA切割結(jié)構(gòu)域融合在一起時，就形成了具有高度特異性的“基因組剪刀”。

主鏈斷裂后，細(xì)胞自帶的兩種修復(fù)機(jī)制——同源重組修復(fù)(HDR)和非同源末端連接修復(fù)機(jī)制(NHEJ)被激活，基因開始自我修復(fù)。

ZFNs雖然相對于常規(guī)核酸酶特異性有所提高，但還是不夠。易產(chǎn)生非特異切割，即脫靶切割。脫靶可能導(dǎo)致過度雙鏈斷裂，使修復(fù)機(jī)制不堪重負(fù)，還有可能導(dǎo)致DNA隨即整合，產(chǎn)生難以預(yù)料的后果。

第二代基因編輯技術(shù)采用TALENs。這種酶也由兩個部分組成：激活因子樣效應(yīng)物(transcription activator-like effector)和DNA切割結(jié)構(gòu)域。前者是一種由植物細(xì)菌分泌的天然蛋白，具有識別特異性DNA堿基對的特性。將其與DNA切割結(jié)構(gòu)域結(jié)合后，二者相互作用，就成了基因編輯的“剪刀”。

與上一代相比，其特異性更高，因此脫靶的概率更低，所帶來的后果也就越小。不過，其生產(chǎn)過程較為繁瑣，過程需要用到液體操作機(jī)器人(liquid-handling robot)。

第三代使用的是CRISPR/Cas9技術(shù)，近些年的關(guān)注度非常高。今年的諾貝爾獎頒給這一領(lǐng)域的科學(xué)家也說明了科學(xué)界對其的認(rèn)可。

CRISPR/Cas系統(tǒng)本身并不是為了基因編輯而生，它是一種存在于多數(shù)細(xì)菌與絕大多數(shù)的古菌中的一種后天免疫系統(tǒng)。

1987年，日本科學(xué)家在大腸桿菌的基因體發(fā)現(xiàn)一段古怪的規(guī)律序列，某一小段 DNA居然一直重復(fù)出現(xiàn)，而重復(fù)片段又被相同的間隔隔開，用途不明。后來，人們又在其他細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了這一特征。

CRISPR為人所熟知得益于西班牙微生物學(xué)家弗朗西斯科·莫伊卡(Francisco Mojica)的一篇論文，他在論文中指出，這是一種廣泛存在的免疫機(jī)制，用于防范病毒入侵。

病毒入侵時，會將自身的DNA注入到細(xì)胞當(dāng)中，以便進(jìn)行繁殖(癌細(xì)胞通常就采取這種做法)。不過，檢測到病毒入侵后，免疫系統(tǒng)激活，開始識別和殺死病毒。病毒清除完成后，有的細(xì)胞會將病毒的DNA碎片以間隔(下圖右部彩色部分)的形式注入到自己的基因中。

CRISPR位點完整結(jié)構(gòu)圖(圖源：http://blog.sciencenet.cn/blog-3160644-983657.html)

總的來說，這一系統(tǒng)相當(dāng)于一個“黑名單”，對所有入侵的病毒進(jìn)行DNA建檔，在其下次入侵時可以快速識別并殺死。

上圖中的前導(dǎo)區(qū)(leader)被認(rèn)為是CRISPR序列的啟動器。左側(cè)基因編碼的蛋白均可與CRISPR序列區(qū)域共同發(fā)生作用，如Cas1 和Cas2就是用于掃描并切割病毒的DNA片段。

目前已發(fā)現(xiàn)了三種不同類型的 CRISPR/Cas系統(tǒng)，存在于大約40%和90%已定序的細(xì)菌和古菌中。CRISPR/Cas9系統(tǒng)就屬于第二種，是目前最成熟也是應(yīng)用最廣的類型。

用于基因編輯的CRISPR/Cas系統(tǒng)由Cas9核酸酶與向?qū)NA(small guide RNA)構(gòu)成。后者指導(dǎo)Cas9識別特定基因靶位，切割DNA造成雙鏈DNA斷裂，并啟動DNA損傷修復(fù)機(jī)制。

具體流程如下圖：

CRISPR/Cas9基因編輯示意圖 (圖源：http://blog.sciencenet.cn/blog-3160644-983657.html)

使用該技術(shù)進(jìn)行基因編輯時，在基因的上下游各設(shè)計一條向?qū)NA(向?qū)NA1，向?qū)NA2)，將其與含有Cas9蛋白編碼基因的質(zhì)粒一同轉(zhuǎn)入細(xì)胞中。向?qū)NA通過堿基互補(bǔ)配對可以定位特定基因靶位，Cas9蛋白會使該基因上下游的DNA雙鏈斷裂(原理和上述ZFN一致)。

DNA雙鏈斷裂后，生物體自身存在著的DNA損傷修復(fù)機(jī)制開始工作，會將斷裂上下游兩端的序列連接起來，從而實現(xiàn)了細(xì)胞中目標(biāo)基因的敲除。

當(dāng)然，要實現(xiàn)基因替換，需要在上述基礎(chǔ)上為細(xì)胞引入供體DNA分子，這樣細(xì)胞就會按照提供的模板在修復(fù)過程中引入片段插入或定點突變。這樣就可以實現(xiàn)基因的替換或者突變。

相對于前兩代技術(shù)，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)操作簡單，成本低廉，但它還是沒有徹底解決脫靶問題。

應(yīng)用方面，除了基因敲除，基因替換等基礎(chǔ)編輯方式，還可以被用于基因激活，疾病模型構(gòu)建，甚至是基因治療。

目前，科學(xué)家在實驗室已完成了對斑馬魚、老鼠和人類細(xì)胞的編輯。2017年，美國國家眼科研究所研究人員吳志健(音譯)及同事利用這一技術(shù)成功阻止了實驗鼠視網(wǎng)膜退化并改善了視覺。該研究證明了利用該技術(shù)治療疾病的可行性。

不過，這一技術(shù)目前還無法運用到人體，這其中既有技術(shù)因素，也有倫理問題。例如，此前川大華西醫(yī)院的研究團(tuán)隊利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)治療肺癌的臨床試驗就需要通過醫(yī)院審查委員會的倫理審批。2018年原南方科技大學(xué)副教授賀建奎的“基因編輯嬰兒”實驗掀起軒然大波，主導(dǎo)人最終還身陷囹圄。

當(dāng)然，基因編輯技術(shù)的巨大應(yīng)用前景著實令人憧憬，此次諾貝爾獎也表明這一技術(shù)的重大意義，至于其涉及的倫理問題，可以通過監(jiān)管加以規(guī)范。

結(jié)尾：2019年8月27日，美國科學(xué)家借助基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9，制造出了第一種經(jīng)過基因編輯的爬行動物——一些小型白化蜥蜴，這是該技術(shù)首次用于爬行動物。由于白化病患者經(jīng)常有視力問題，因此，最新突破有助于研究基因缺失如何影響視網(wǎng)膜發(fā)育。