基因編輯-“改寫生命密碼的工具”

10月7日，瑞典皇家科學院決定將2020年諾貝爾化學獎授予法國生物化學家Emmanuelle Charpentier和美國生物化學家Jennifer A.Doudna，以表彰她們對新一代基因編輯技術CRISPR的貢獻。利用這些技術，研究人員可以極其精確地改變動物、植物和微生物的DNA。這些技術對生命科學產生了革命性的影響，正在催生新的癌癥療法，并有可能使治愈遺傳性疾病夢想成真。那么究竟什么是基因編輯技術？它又經歷了哪些發(fā)展歷程呢？

一、基因編輯技術是什么？

基因編輯技術是以改變目的基因序列為目的，實現(xiàn)定點突變、插入或敲除的技術。借助該技術人類能夠根據自身意愿來對目標基因進行“編輯”，有目的性地刪除或加入DNA片段。

二、基因編輯如何被實現(xiàn)？

基因編輯技術主要的原理基礎是利用核酸酶特異性切割DNA形成雙鏈缺口，然后進行目的修復，從而達到修改基因片段的目的。修復缺口的機制有兩種，一種是內源性的非同源末端連接 (Non-homologous end-joining，NHEJ)，這是細胞自身的隨機修復機制，易出現(xiàn)堿基的錯配和丟失。另一種是同源重組修復(Homology-directed repair，HDR)，即在有同源片段的條件下，外源的目的基因能通過同源重組整合入靶基因，降低了錯誤率。而最新發(fā)現(xiàn)的單堿基編輯技術則甚至無需進行DNA雙鏈斷裂，也不需要同源模板即可進行單堿基轉換。

三、基因編輯技術經歷了哪些發(fā)展？

第一代基因編輯技術是1996年出現(xiàn)的鋅指核酸酶技術（ZFN），該技術具有靶向結合效率高的優(yōu)點，但由于其構建難度大、費用高的缺點，使其應用受到了很大的限制。隨后，第二代基因編輯技術——轉錄激活因子樣效應物核酸酶技術（TALEN）于2010年被發(fā)現(xiàn)，與ZFN相比，TALEN雖然構建更為簡單，細胞毒性也較低，但構建成本仍然偏高，應用也存在其局限性。第三代基因編輯技術CRISPR/Cas9的橫空出現(xiàn)，標志著新一代基因編輯時代的開始，與ZFN 和TALEN 相比，CRISPR/Cas9 設計簡便、成本低、效率高，可用于高通量的基因編輯，但是依舊存在脫靶問題。2016年出現(xiàn)的單堿基編輯技術推進了通過點突變進行基因編輯的發(fā)展。相信隨著基因編輯技術的深入研究，未來會出現(xiàn)更多更加高效精準的基因編輯技術，其應用領域也必將越來越廣闊。

四、基因編輯技術有哪些應用？

從1996年對鋅指核酸酶第一次進行體外驗證到2012年CRISPR/Cas9技術的出現(xiàn)和之后的蓬勃發(fā)展，基因編輯技術發(fā)展迅速，編輯效率和精確性不斷提高，應用領域也不斷拓寬。這項技術對生命科學產生了革命性的影響，不僅可被用于進行表達調控和基因功能的研究、細胞動物模型的構建、癌基因和藥物靶點的篩選，在基因治療中更是具有巨大的發(fā)展前景，為單基因遺傳病、癌癥等疾病提供了新的治療方法。

五、基因編輯技術面臨哪些挑戰(zhàn)？

首先是治療的安全性，如進行外源基因遞送時采用的整合型載體(如LV載體)產生的可隨細胞分裂而保留的插入突變和病毒載體本身所產生的免疫反應，以及各種基因編輯技術存在的脫靶效應。其次，就治療的有效性而言，載體的遞送效率也直接影響到治療本身的效率。最后，基因治療的倫理也是不容忽視的問題。爭議頗多的生殖細胞的編輯長期以來就受到科學家和社會學家的廣泛反對，而在現(xiàn)有的科技與社會背景下，對于胚胎的基因編輯仍然也飽受爭議。但科學倫理永遠是科學研究不容觸碰和挑戰(zhàn)的底線。隨著科學技術的進步，科學倫理建設面臨著越來越多的新情況和新挑戰(zhàn)，而我們始終要以對人類和生命高度負責的態(tài)度踐行科學研究中的倫理規(guī)范。

參考資料：

[1]2020年諾貝爾化學獎；瑞典皇家科學院；2020.10.7.

[2]任云曉,肖茹丹,婁曉敏,方向東.基因編輯技術及其在基因治療中的應用[J].遺傳,2019,41(01):18-28.

[3]謝芳艷.基因編輯技術在基因治療中的應用進展[J].生物化工,2019,5(01):162-164.

[4]劉耀,熊瑩喆,蔡鎮(zhèn)澤,張冰.基因編輯技術的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].生物工程學報,2019,35(08):1401-1410.

[5]李云龍.《生物技術概論》.[M].111

[6]牛煦然,尹樹明,陳曦,邵婷婷,李大力.基因編輯技術及其在疾病治療中的研究進展[J].遺傳,2019,41(07):582-598.

[7]李東風.從基因編輯嬰兒事件看當前科學倫理問題[J].科學與社會,2019,9(02):23-30.