關於基因編輯，你可能不知道的

文丨王威

除了在受精卵中使用線粒體置換技術來治療線粒體遺傳疾病，科學家們也在不斷探索「修正」核基因組遺傳疾病的方法，而基因編輯技術的出現無疑為科研界帶來了新的希望。基因編輯是近年來發展起來的新興技術，能夠在基因組水平上對DNA序列進行精確修飾，自出現以來，科學家們就一直致力於將該技術應用於人類遺傳病的研究與治療。基因編輯技術主要包括：

1.鋅指核酸酶（Zinc-finger nuclease, ZFN）技術，它是一類人工合成的限制性內切酶，由鋅指DNA結合域（zinc finger DNA-binding domain）與限制性內切酶的DNA切割域（DNA cleavage domain）融合而成。研究者可以通過加工改造ZFN的鋅指DNA結合域，靶向定位於不同的DNA序列，從而使得ZFN可以結合複雜基因組中的目的序列，並由DNA切割域進行特異性切割。

2.TALEN（transcription activator-like，TAL，effector nucleases）典型的 TALEN由一個包含核定位信號（Nuclear localization signal, NLS）的N端結構域、一個包含可識別特定DNA序列的典型串聯TALE重複序列的中央結構域，以及一個具有FokI核酸內切酶功能的C端結構域組成。人工TALEN元件識別的DNA序列長度則一般為16-20bp，兩端的靶序列間隔約14-20bp。每一個獨立的TALE重複序列元件包含33到35個氨基酸殘基，這些TALE重複序列元件能夠通過兩個高變異度的殘基（RVD）來識別一個單一的鹼基對。通過靶位點的DNA序列可以反推能特異性識別這一序列的二聯氨基酸序列，從而構建TAL靶點識別模塊來引導DNA特定位點的剪切。

3.CRISPR (ClusteredRegularly Interspaced Short Palindromic Repeats) /Cas (CRISPR-associated) 是最近幾年出現的一種由RNA指導Cas核酸酶對靶向基因進行特定DNA修飾的技術。它是細菌和古細菌為應對病毒和質粒不斷攻擊而演化來的獲得性免疫防禦機制。其中II型CRISPR/Cas免疫系統依賴Cas9內切酶家族靶向和剪切外源DNA。在CRISPR／Cas9進行基因組編輯過程中，Cas9內切酶在嚮導RNA（gRNA，一般20bp）的指引下到達DNA靶向位置，識別保守的間隔相鄰序列（proto-spacer adjacent motifs，PAM序列），進而對靶向DNA分子進行定點切割。

三種基因編輯技術的原理各有特點，如下表所列：

2012年，Jennifer Doudna 和Emmanuelle Charpentier發表文章揭示了CRISPR/Cas這一細菌免疫系統可以被用作針對特定DNA位點的基因編輯工具。隨後，張鋒實驗室在人類細胞中證實了CRISPR/Cas9系統對基因組DNA的定點編輯能力。相較於ZFN和TALEN，新興的CRISPR/Cas9技術操作簡單，其用於定位的gRNA可以直接合成，對剪切位點的選擇和設計也更為靈活。並且可方便地對多個物種的基因組進行編輯。這些優點使得CRISPR/Cas系統成為基因編輯在基礎研究和臨床應用的主流技術。

科學家們除了利用CRISPR/Cas9技術構建帶有疾病相關突變的細胞及動物模型，以用於致病機理研究外，很多的實驗室也將目光投向了利用基因編輯工具來「矯正」錯誤的基因序列，從而達到對於核基因組遺傳病從「讀」到「改」的突破。科學家們利用細胞系和動物模型先後證實了CRISPR/Cas9技術具有治療包括從血友病，神經退行性疾病到癌症、再到艾滋病等多種疾病的潛力，而是否能在胚胎中實現這一技術的應用也一直是科學家們關注的熱點。

2015年4月，中山大學的黃軍就副教授發表了其科研小組利用CRISPR/Cas9系統對人類胚胎基因組進行改造的研究結果，引發了世界範圍內的熱烈討論。黃軍就用於實驗的人類受精卵含有一個卵細胞和兩個精子，這種三原核的受精卵是無法正常存活的，因此也無法進行正常的胚胎髮育成為嬰兒。黃軍就團隊利用CRISPR/Cas9系統來進行基因改造的目標是HBB基因（human β-globin gene），這一基因編碼血紅蛋白beta亞基，其基因突變會導致β地中海貧血症，一種在兩廣地帶高發的遺傳疾病。

在此次研究中，他們共對86個三原核受精卵進行了基因編輯實驗操作，而基因編輯剪切僅僅在不到三分之一的受精卵中被觀察到，並且發生剪切的受精卵中只有更小一部分發生了重組修飾，這些結果說明CRISPR/Cas9技術在胚胎上應用的效率非常低，還無法真正用於在胚胎水平上有效治療遺傳疾病。同時，這次研究也顯示，CRISPR/Cas9技術在受精卵上出現的脫靶現象非常嚴重，這些非靶向突變的出現也說明這一技術存在值得注意的安全問題。儘管由於缺乏在正常二原核胚胎上的脫靶頻率的實驗數據，但如果這種脫靶現象確實是在人類胚胎編輯中普遍存在的，那非常可能會產生難以預測的嚴重有害結果。

（本文節選自《互聯網+基因空間》，有興趣的同學可點擊閱讀原文詳細了解）

更多行業資訊及頭腦風暴，請在公眾號內回復「1」獲取基因空間交流群入群方式（添加後台奇奇助手，審核成功後會第一時間拉您入群）。