基因编辑技术在动物上的应用

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。

自2016年5月2日韩春雨作为通讯作者的“基因编辑技术NgAgo”论文发表引起关注、5月底质疑的声音开始出现，韩春雨实验的可重复争议，不仅科学界议论纷纷，在社会层面也引发了相关讨论。那么，基因编辑技术到底是一项怎么样的技术呢？为什么它这样备受瞩目？今天我们就一起去扒一扒基因编辑技术的“真面目”！基因编辑技术到底是个什么鬼？首先我们先介绍一下基因编辑的概念。实际上，“基因编辑”这四个字是比较简化的，严格来说我们应该称它为“基因组定点编辑技术”。这里我们要注意两个关键词，一个是“基因组”，它要在细胞核的基因组里面。另一个是“定点编辑”，因为在细胞核的基因组里面，不同的基因都有不同的位点。如果我们不是说在特定的基因组位点进行编辑的话，实际上和我们现在讨论的这个技术就大相径庭了。因为有很多其他技术可以改变细胞内的DNA组成。比如线粒体基因替代技术。还有一个就是用重组过的特异性病毒引入外源基因，但是它不能够定点，它是随机放到基因组里面的，这和我们今天要讨论的基因编辑技术都是不一样的。基因编辑技术，也就是“基因组定点编辑技术”，这个技术指的是对特定DNA片段的敲除、加入以及定点突变。基因编辑技术的历史实际上，基因编辑技术不是一个新的概念，早在90年代就开始有了。到目前为止，已经经历了三代。第一代基因编辑技术就是同源重组建立动物基因敲除（knock-out），基因敲入（knock-in）的基因突变模型。顾名思义，基因敲除（knock-out）指的是把原有的动物基因组的某些基因通过一定的技术把它从动物基因组里敲除出去；基因敲入（knock-in）则是在动物基因组某个位点上把原本不存在的基因通过一定的技术把它整合进去。基因敲除（knock-out）和基因敲入（knock-in）是通过DNA同源重组技术来完成的。这是一个非常复杂的技术。如果要做成一个成功的动物基因敲除（knock-out），基因敲入（knock-in）的基因突变模型，大概需要花费2到3年的时间，投入的资金也比较多。另外，这个技术一般来说是用于建立遗传疾病研究的动物模型，很难用于临床或者说大面积应用在农业畜牧业方面。第二代基因编辑技术是ZFN,TALEN技术。这两个技术的原理都是通过DNA核酸结合蛋白和核酸内切酶结合在一起建立一个系统。因为这些蛋白可以识别一定的核苷酸序列，通过一定设计形成的系统可以对特定的基因进行基因敲除和基因突变。第三代基因编辑技术就是最近非常火的CRISPR/Cas9 系统。它的原理就是利用核糖体结构来进行基因编辑。CRISPR/Cas9 系统经过一定的设计可以结合到靶基因上，然后对这个靶基因进行敲除、定点突变或者引入新的外源基因，来进行基因编辑。为什么第三代基因编辑技术备受瞩目？确切地说，这三代基因编辑技术到目前为止都存在一定的技术局限性。第一个比较明显的局限性就是脱靶效应。那什么是脱靶效应呢？比如原本设计是对某一个DNA靶点进行基因编辑，但是一直找一直找，却没有找到正确的靶点，实际上却跑到这个点组成相似的位点去了，这就出现了脱靶。第二个我们关注的问题就是编辑效率。任何技术都有一定的编辑效率。第三代基因编辑技术的效率要比第二代基因编辑技术高，这也是我们为什么对这三代基因编辑技术这么感兴趣的原因。还有一个问题就是基因编辑技术对同一基因可能会造成不同的基因突变类型。不同的基因突变类型混合在一起，会让检测工作变得复杂很多。在这点上，第三代基因编辑技术同样表现不俗，要比这二代基因编辑技术好很多。总的来说，为什么第三代基因编辑技术这么受大家的关注？主要得益于它以下几个优点：一是它的设计比较简单；二是它的效率比较高；三是它的价格相对便宜些；四是它的应用范围更广泛些，能针对的靶基因是比较多的。基因编辑技术有什么用?我们研究基因编辑技术，那基因编辑技术到底可以应用在哪些方面呢？主要有以下这几个方面：第一个就是可以形成不同基因型的动物模型，这从第一代基因编辑技术就开始做了。建立不同基因型的动物模型的意义在于，对遗传性疾病，这些基因和疾病之间的关系，这些模型可以给出一个比较确切的答案。这对研究遗传性疾病具有重大意义，这也是为什么大家从第一代开始就密切关注基因编辑技术的发展了。第二个主要是应用在动植物育种。不同的物种的同一个基因上，可能会存在不同的SNP。不同的SNP对正常的生理功能影响是不大的，但是却会影响一定的表型。比如水稻是不是就会更高产一些，动物的瘦肉是不是更多一些等等表型。有了基因编辑技术，在育种的过程中，我们就可以对我们最想要的某一个基因进行单点突出，以实现效益的最大化。目前为止，第三代基因编辑技术效率相比于前两代技术来说是最高的。还有一个就是对遗传疾病的治疗比较有用。目前来说，基因编辑技术主要是用在人源性的细胞上面，临床还没有用到。我们知道，很多遗传疾病都和细胞的突变有关。如果说利用基因编辑技术，我们能够把致病的基因转换成正常的基因的话，那么对家族有遗传病史的人来说，这将是一个福音。但是现在的基因编辑技术离临床治疗还远。要应用到临床上需要考虑很多问题，比如这个系统的毒性怎么样？它进去以后会不会引起什么免疫反应？因为现在基因编辑技术还存在脱靶效应，如何对我们要编辑的基因进行准确地定位是个大问题。这些都是需要研究清楚才能上临床的。（作者：胡昕华，中国科学院神经科学研究所博士。感谢中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长袁岚峰的推荐，原创作品，转载请注明出自知识就是力量微信公众号）（图片来自网络）编辑：刘伟琼本文系原创作品，商业合作及转载请联系 投稿请联系 ?

报告称，通过利用CRISPR（基因编辑技术）对引起或恶化癌症的祸首“融合基因”进行编辑，可以缩小肿瘤的大小，提高实验鼠的生存率。匹兹堡大学医学院病理学教授，高通量基因组中心主任Jian Hua Luo表示：“这是第一次将基因编辑技术用于特异性靶向肿瘤融合基因，真的特别令人兴奋，它为即将可能成为治疗癌症的全新方法奠定了基础。”融合基因通常与癌症相关，当原本两个单独的基因结合在一起，就会产生一种异常的蛋白质（融合蛋白），从而导致或促进癌症发生。在早前，Luo教授和他的团队发现了一组使得前列腺癌具备复发性和侵袭性的融合基因。年初时的一篇发表在《胃肠病学》杂志上的研究也指出，研究人员在包括肝、肺和卵巢在内的几种癌症类型中，都发现了融合基因之一MAN2A1-FER，该基因正是造成肿瘤快速生长和侵袭的原因。根据近期《自然生物技术》的一篇线上报告显示，研究人员对于因基因融合而形成的目标DNA序列采用了CRISPR-Cas9基因组编辑技术进行处理，并利用病毒运输基因编辑的工具，以切断融合基因的突变DNA。图片来源：Getty Images因为融合基因只存在于癌细胞中，不会出现在健康的细胞里，因此基因治疗具有高度特异性。这种方法在转到临床时产生的副作用会更少，而副作用正是包括化疗在内的其他治疗方法所面临的主要问题。研究过程中，研究人员使用了接受过人类前列腺癌和肝癌细胞移植的小鼠模型。对其体内的癌症融合基因进行编辑，使肿瘤体积减少了30%。在八周的观察期内，所有小鼠均顺利存活而且癌细胞并未出现转移现象。相反地，对照组实验鼠被注射的是设计用于切割非肿瘤细胞融合基因的病毒，最终其体内肿瘤的大小增加了近40倍，且大多数实验鼠都出现了癌细胞转移的现象，并在研究结束前就已全部死亡。这个新发现展示了一种全新的抗癌方法。Luo教授说：“其它类型的癌症治疗方法就好比是瞄准了敌军的步兵，我们的方法则是瞄准指挥中心，这样敌人的士兵没有机会在战场上重整旗鼓，东山再起。”Luo教授还指出，相较于传统的治疗方法，用基因编辑技术靶向治疗的另一个优点是它具备独自适应的能力。比如常见的情况是癌细胞进化产生了新突变，使得标准化疗无效。但是通过基因编辑技术，就能持续地有针对性地对抗新突变。未来，研究人员打算测试这种策略能否彻底根除疾病，而不是像目前的研究中观察到的一样只是缓解部分病情。该研究由美国国立卫生研究院、美国国防部和匹兹堡大学癌症研究所资助进行。蝌蚪五线谱编译自futurity，译者 狗格格，转载须授权

基因编辑技术，可以用于编辑动植物甚至病毒的基因。通过改变基因让其改变性状，对人来说当然是有益的，不过目前这个技术并不完善。如果人类真正的掌握了基因编辑技术，那么就相当于掌握了任何物种的生物源代码，可以随意改变其性状向人类有益的地方发展。