基因编辑的研究进展

1月24日报道称，从3月份开始，现年53岁的杭州肿瘤医院的院长兼肿瘤医生吴式琇就一直在尝试用一种很有希望的新型基因编辑工具Crispr-Cas9来治疗癌症患者。这种工具由美国科学家设计，从2012年媒体报道说可以用来编辑DNA之后就引发了全球关注。据美国1月23日报道，吴式琇所在医院的团队从食道癌患者身上抽取血液，用高铁将血液送到一间实验室，该实验室使用Crispr-Cas9删除一段干扰免疫系统抗癌能力的基因，从而改进抗病细胞，然后将这些细胞注回到患者体内，希望重新编程的DNA能消灭癌症。相比之下，中国以外的首例Crispr人体试验还没开始。美国宾夕法尼亚大学用了近两年时间来解决联邦机构等部门的要求，其中包括尽可能减小患者风险的种种安全检查。报道称，中国无疑是第一个将Crispr用于人体试验的国家，美国国家医学图书馆数据库中记录了中国的九次试验。华尔街发现至少还有两次医院试验，至少有86名中国患者接受了基因编辑，这些试验也符合中国的产业政策。中国正力争使国内一些产业走上国际舞台，基因编辑更是被列入中国2016年制定的五年规划目标，很多Crispr试验正是在此召唤后纷纷出现的。宾夕法尼亚大学Crispr研究团队的首席科学家Carl June说，在将Crispr等西方国家开创的医疗技术加以应用方面，中国可能超过美国。他表示，美国处在一个危险的位置，可能失去在生物医药领域的领先位置。他认为，中美存在监管不对称，但Crispr科学非常前沿，很难在快速推进与确保患者安全之间找到理想的平衡点。在欧洲，这类试验也未开始。Crispr Therapeutics AG去年12月宣布已向欧洲监管部门提交了启动一项临床试验的申请，发言人称监管部门正在评估这项申请，该公司计划今年启动临床试验。报道称，与其他基因编辑方法相比，Crispr-Cas9技术更容易使用，成本也更低。实验室数据表明，这项技术可以纠正一些导致不治之症的小故障，但改写基因会遭遇各种科学和伦理难题。首先就是Crispr可能给人类带来意想不到的不可逆转的改变，而且可能要过很多年才出来。吴式琇也同意这种技术可能存在风险，认为Crispr是一把双刃剑。他说，别人看到潜在的不良后果，而他们看到的是潜在的疗效。他说，速度是关键，他的患者已是生死一线，如果不试一下，永远都不会知道答案。报道称，起初，美国似乎走在前头。宾夕法尼亚大学获得资助的Crispr试验在2016年成为这一领域首批进入公众视野的试验之一，该试验以患有多发性骨髓瘤、肉瘤和黑色素瘤的病人为目标。2016年晚些时候，有媒体报道说一家中国医院已开始进行全球首例Crispr试验，而宾夕法尼亚大学的June博士正在经历一个更加严格的流程。June称，宾夕法尼亚大学的研究将测试Crispr是否安全，而不是测试能否治愈患者。而吴式琇说，他认为挽救患者生命是最重要的，他的末期患者急需治疗。他最初在三位患者身上测试了Crispr，现在已经修改了10多位患者的基因。他称，他计划在肺癌和胰腺癌患者身上进行更多测试。报道称，并非所有中国Crispr测试都能轻松获得批准。在似乎是全球首例Crispr人体试验中担任首席调查员的刘波说，他们医院的伦理委员会花了几个月的时间进行评估，要求他提交补充材料，然后才批准了他的试验。预计未来18个月将有更多美国Crispr测试启动，与Crispr相关的科学家创办的上市公司将牵头进行这些测试。芝加哥大学神学院院长兼该委员会生物伦理学家Laurie Zoloth说，她希望各国制定Crispr的国际化标准、共享试验结果和伦理准则。她说，科学证明究竟意味着什么，保护一个人又意味着什么，这些问题大家需要集体讨论。

基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行“编辑”，实现对特定DNA片段的敲除、加入等。而CRISPR/Cas9技术自问世以来，就有着其它基因编辑技术无可比拟的优势，技术不断改进后，更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。基因编辑技术中， 以ZFN （zinc-finger nucleases）和TALEN （transcription activator-like effector nucleases）为代表的序列特异性核酸酶技术以其能够高效率地进行定点基因组编辑， 在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。

DNA是绝大部分生物的遗传信息的储存介质，由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四种核苷酸组成，并且严格遵守A-T,C-G的碱基互补配对原则，DNA链上这四种核苷酸的排列信息就是生物体的主要遗传信息。基因是控制生物性状的基本遗传单位，即一段携带特定遗传信息的DNA序列，主要通过翻译出对应的效用蛋白发挥功能。图 DNA的结构示意图（图片来自网络）基因异常往往导致各种疾病的发生：如在超过50%的人类肿瘤中都能检测到编码p53蛋白的基因的突变（丧失活性）；Rag1等基因的突变会导致重症联合免疫缺，患儿终生不能接触外界空气，只能终生生活在隔绝容器内（图2）。图 终生生活在隔离容器内的美国男孩大卫·维特什么是基因编辑技术？基因编辑技术是指特异性改变目标基因序列的技术。目前主要的基因编辑技术都是基于如下原理发展而来的：在细胞内利用外源切割复合体特异性识别并切割目的基因序列，在目的基因序列上制造断裂端，这种断裂端随即会被细胞内部的DNA损伤修复系统修复，重新连接起来。在此修复过程中，当有修复模板存在时，细胞会以修复模板为标准进行修复，从而实现对基因序列的特异性改变，即基因编辑（图3）。图3 基因编辑技术的基本原理示意图要实现基因编辑，外源切割复合体必须满足两个条件：① 切割复合体必须可以特异性地识别和结合至目的基因DNA序列上，这是各种基因编辑技术的主要差异所在，也是发展基因编辑技术的最大困难所在；② 切割复合体必须具有切割DNA，制造断裂端的功能；基因编辑技术的简要发展历史自1953年沃森和克里克两位科学家提出DNA的双螺旋结构以来，人们一直都在积极探索着高效便利的基因编辑技术：上世纪80年代，科学家在小鼠胚胎干细胞中通过基因打靶技术实现了基因编辑（2007年诺贝尔生理医学奖），但此技术在其余细胞内效率极低，应用受到了极大的限制；上世纪90年代，基于细胞内不同锌指蛋白可特异性识别DNA上3联碱基的特征以及核酸酶FokI二聚化后可以切割DNA的特点，人们通过锌指蛋白偶联Fokl的策略逐渐发展出了一种新的基因编辑技术--锌指蛋白核酸酶技术（Zinc Finger Nucleases, ZFNs）。但此技术专利被公司垄断，且锌指蛋白数量有限，可以识别的DNA序列数量有限，其应用也受到了很大的限制。随后，基于改造后的植物病原菌中黄单胞菌属的TAL蛋白可以特异性识别DNA中一个碱基的特性，人们又发展出了新的基因组编辑技术--转录激活样因子核酸酶技术（Transcription activator-like effector nucleases, TALENs）。此技术理论上可以实现对任意基因序列的编辑，但其操作过程较为繁琐，一定程度上限制了其应用。近年来，基于细菌规律成簇的间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR)系统发展而来的新一代基因组编辑技术--CRISPR/Cas9技术，使得基因编辑变得更为简易、高效。值得提出的是，华裔科学家张锋教授对于CRISPR/Cas9技术的发展与应用作出了重要贡献，是目前这一领域的领军人物之一。基因编辑技术的最新发展由于目前最为广泛应用的CRISPR/Cas9技术仍然存在着无法对所有基因序列实现编辑、可能错误编辑其余基因、切割复合体中RNA容易降解导致复合体不稳定等一些不足之处，人们主要从以下几个方面优化发展新的基因编辑技术：1) 优化CRISPR的蛋白序列，使得其可以识别更多的序列，并且能够更为有效地编辑基因序列；2) 寻找新的具有特异性识别和切割目的基因序列的蛋白。如张锋教授在去年报道的Cpf1，已被证实为一类新的基因编辑工具；而目前引起广泛争议和关注的我国河北科技大学韩春雨教授在今年初报道的NgAgo，如果其真的可以实现细胞内的基因编辑，也是一类新的基因编辑工具，是目前各种基因编辑工具的有效补充；近期，我国南京大学学者又开发了一类新的基因编辑工具—SGN，也引起了学界的广泛关注。基因编辑技术的应用随着CRISPR/Cas9等新型基因编辑技术的迅猛发展，基因编辑技术在诸多方面都有着极为广阔而光明的应用前景：1) 畜牧业和农业方面，现在已经在包括鸡、牛、羊等重要家畜和玉米、水稻、棉花等重要经济作物中实现了基因改造，有效地提高了这些家畜和经济作物的产量和质量；2) 医疗健康方面，一方面，对于先天性基因突变致病患者，利用基因编辑技术改正突变的基因，可以为这些疾病的彻底根治提供希望。如在2013年，我国科学家上海生化细胞所的李劲松教授就利用CRISPR/Cas9技术治愈了小鼠的白内障遗传疾病。另一方面，基因编辑技术还有望为彻底治愈一些重大疾病的提供希望，如利用基因编辑技术改造艾滋病病毒HIV-1携带者免疫细胞中的CCR5基因，可以使得细胞不再受HIV-1病毒感染，有望成为彻底战胜艾滋病的有力武器。结语：迅猛发展的基因编辑技术正在给我们的生活带来巨大的变化，在享受先进科学技术带来的种种福利的同时，我们也必须进一步加强对于基因编辑技术的基础研究以及应用管理，以确保这一先进技术得到正确而有效地应用。编辑：何郑燕  鲁凡英（专家：吴剑锋，厦门大学生命科学学院博士，科普中国微平台原创首发）

随着科技的不断发展，经过不断的努力，实现了在碱基编辑器上直接 DNA 进行化学反应，来精准编辑基因进行自由替换