基因編輯咋編輯

如同對文本進(jìn)行修改一樣，首先把錯誤或想要修改的地方找出來，然后使用工具，插入、刪除或者改寫一段“文字”

了解基因編輯的原理，首先要弄懂什么是基因?；蚴蔷哂羞z傳效應(yīng)的DNA（脫氧核糖核酸）片段，它能控制生物的性狀，支持生命的基本構(gòu)造和性能。自DNA發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們一直在嘗試進(jìn)行“基因編輯”，比如培育更高產(chǎn)的小麥、選育毛色更可愛的寵物……這些懵懂的“原始實(shí)驗(yàn)”從未間斷。

專家介紹說，基因編輯就是特異性地來改變目標(biāo)基因序列的技術(shù)。如同對文本進(jìn)行修改一樣，首先要把錯誤或想要修改的地方找出來，然后使用工具，按照修改的意圖，插入、刪除部分詞句或者改寫一段“文字”。當(dāng)然，基因編輯是在細(xì)胞內(nèi)對基因序列進(jìn)行類似的操作，過程更加復(fù)雜：首先需要用一種復(fù)合體把目標(biāo)基因序列特異性地識別出來，以避免“傷及無辜”；復(fù)合體再將DNA的雙鏈剪斷，在目標(biāo)基因序列上制造斷裂端，這時細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制馬上會啟動，對斷裂端進(jìn)行修復(fù)，讓它重新連接起來。如果在修復(fù)過程中，有一個“模板”存在，細(xì)胞就會以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修復(fù)，基因編輯就此完成。

這種能切割的復(fù)合體必須是一把自帶“導(dǎo)航系統(tǒng)”的“剪刀”，即包含DNA識別區(qū)域和DNA切割區(qū)域?！凹舻丁痹诨蚓庉嫷倪^程中至關(guān)重要，因此找到更好用的“剪刀”一直是基因編輯的主要任務(wù)。

這把“剪刀”就是人工核酸酶。20世紀(jì)90年代，鋅指核酸酶（ZFNs）出現(xiàn)，該技術(shù)由鋅指蛋白實(shí)現(xiàn)對DNA的識別，由核酸酶進(jìn)行精準(zhǔn)切割。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，鋅指核酸酶技術(shù)已應(yīng)用于果蠅、斑馬魚、大鼠、小鼠等多種模式動物的遺傳研究，成功實(shí)現(xiàn)了基因的修飾。2005年，它還首次實(shí)現(xiàn)了對人類細(xì)胞基因的定點(diǎn)修飾。然而，鋅指核酸酶的精確度要建立在龐大的鋅指表達(dá)文庫之上，從中篩選出鋅指蛋白，耗時費(fèi)力，成本也高，因此沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。

另一把“剪刀”是類轉(zhuǎn)錄激活因子核酸酶（TALENs），理論上它可以實(shí)現(xiàn)對任意基因序列的編輯，原理與鋅指核酸酶技術(shù)相似。雖然它在篩選、構(gòu)建方面要容易一些，但同樣比較繁瑣，還可能引起機(jī)體免疫反應(yīng)。

魏文勝指出，雖然鋅指核酸酶、類轉(zhuǎn)錄激活因子核酸酶的使用門檻比較高，但是在一些領(lǐng)域如基因治療中，仍然有重要的價值。

CRISPR為何火

CRISPR是一個平民化的“神奇剪刀手”，更便宜、更便捷、靶向更加準(zhǔn)確

讓基因編輯真正變得簡便好用的，是一把叫CRISPR的基因“剪刀”。

細(xì)菌是在自然界分布最廣、個體數(shù)量最多的有機(jī)體。和大多數(shù)生物一樣，細(xì)菌也會受病毒感染，使其成為正常細(xì)菌的殺手——噬菌體。在漫長的進(jìn)化過程中，細(xì)菌逐漸有了自己的應(yīng)對之策——免疫系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末，研究人員在觀測大腸桿菌時發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌基因的尾端，有一些看上去很奇怪的重復(fù)序列。這些序列隨后被命名為成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列（CRISPR）。病毒性感染就像定時炸彈，在它“爆炸”之前，細(xì)菌只有很短的時間來處理，而CRISPR就是一個“拆彈專家”。

CRISPR是如何“拆彈”的？研究人員注意到，這些重復(fù)的序列之間總是由一些很古怪的間隔區(qū)（spacer）隔開，這些間隔區(qū)之所以看上去很古怪，是因?yàn)樗鼈兏揪筒皇羌?xì)菌自身所有的東西，而是從噬菌體病毒的DNA上“剪”下來的小片段。簡言之，細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生CRISPR相關(guān)蛋白（Cas蛋白），在病毒入侵之后，Cas蛋白便會結(jié)合到病毒DNA上，從上面“剪”下一塊病毒DNA，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)菌細(xì)胞的基因組，插入其中，使之成為一處“間隔區(qū)”。從此以后，細(xì)菌細(xì)胞便會利用這一間隔區(qū)來識別與之相對應(yīng)的病毒，實(shí)現(xiàn)對病毒再次入侵的免疫應(yīng)答。更神奇的是，CRISPR系統(tǒng)還可以將獲得的部分DNA片段整合進(jìn)基因組，形成記憶并遺傳，從而可以保護(hù)后代的細(xì)胞免受病毒的攻擊，就像隨身帶了一張基因的“疫苗接種卡”。

“科學(xué)家很快意識到，基于這種精確的靶向功能，CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)開發(fā)成一種高效的基因編輯工具，只要將被編輯的細(xì)胞基因組DNA看作病毒或外源DNA就可以了，從而使我們可以利用RNA（核糖核酸）來引導(dǎo)Cas9蛋白實(shí)現(xiàn)對多種細(xì)胞基因組的特定位點(diǎn)進(jìn)行修飾?！秉S志偉說。

在CRISPR/Cas9技術(shù)中，基因編輯的實(shí)現(xiàn)需要這兩個工具——向?qū)Ш颂呛怂幔╣RNA）和Cas9蛋白，其中Cas9蛋白具有切割DNA片段的功能，可使DNA發(fā)生雙鏈斷裂，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生DNA 損傷修復(fù)。gRNA與Cas9蛋白結(jié)合在細(xì)胞中，會形成復(fù)合體，它會“檢索”細(xì)胞中所有的DNA，找到與其內(nèi)部gRNA的序列相對應(yīng)的位點(diǎn)，然后連接，讓Cas9蛋白質(zhì)精確地把相關(guān)DNA“剪”掉，從而實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞中目標(biāo)基因的編輯。“打個比方，CRISPR系統(tǒng)相當(dāng)于一枚導(dǎo)彈，gRNA相當(dāng)于它的引導(dǎo)部，而蛋白就相當(dāng)于它的戰(zhàn)斗部。剪切不同基因的時候，只要改變gRNA的序列就可以了?！秉S志偉說。

與鋅指核酸酶、類轉(zhuǎn)錄激活因子核酸酶技術(shù)相比，CRISPR技術(shù)顯得非常“平民化”，它無物種限制、成本低、易上手、實(shí)驗(yàn)周期短、靶向更加準(zhǔn)確，節(jié)省了大量的時間和成本?？茖W(xué)家希望用這種技術(shù)對人類的基因進(jìn)行編輯，以達(dá)到治療疾病的目的，同時也希望將這種技術(shù)用到作物的改良之中。

“事實(shí)證明，CRISPR技術(shù)非常強(qiáng)大，因?yàn)樗膶懙氖堑讓拥拿艽a。”魏文勝說。橫空出世的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)被《科學(xué)》雜志評為2015年最重要的“突破性發(fā)現(xiàn)”，并被科學(xué)家認(rèn)為是20世紀(jì)70年代以來最重要的基因工程技術(shù)。