基因編輯

基因編輯（Gene Editing）是指通過基因編輯技術對生物體基因組特定目標進行修飾的過程。高效而精準的實現基因插入、缺失或替換，從而改變其遺傳信息和表現型特徵。

基本介紹

• 中文名：基因編輯
• 外文名：Gene Editing
• 所屬類別：生物科技
• 套用技術：CRISPR/Cas9

簡介

基因編輯（Gene Editing）是指通過基因編輯技術對生物體基因組特定目標進行修飾的過程。高效而精準的實現基因插入、缺失或替換，從而改變其遺傳信息和表現型特徵。

基因編輯技術是一種革命性的生物技術，用於修改生物體的基因組。它基於多種工具，使科學家能夠針對特定的基因序列進行精確的編輯和改變。

基因編輯過程：在基因組中特定位置產生位點特異性雙鏈斷裂（DSB），通過非同源末端連線（NHEJ）或同源重組（HR）來修復DSB，同時完成基因編輯。

基因編輯技術具有巨大的潛力，可以在醫學、農業和其他領域產生革命性的影響。然而，這項技術需要仔細權衡倫理和安全，並加強監管措施，以確保其安全性和可持續性。

技術原理

同源重組技術（homologous recombination，HR）是較早使用的基因編輯技術，其原理是將外源性目的基因導入受體細胞，通過同源序列交換，使外源性DNA片段取代原位點上的基因，從而達到使特定基因失活或修復缺陷基因的目的。由於效率極低，且出錯率高，因此其套用受到了一定的限制。

20世紀80年代末、90年代初，人們發現通過在特定的基因組靶點誘導雙鏈斷裂(double-stranded break，DSB)能在染色體水平上實現高效和準確的基因修飾。

DSB被誘導後，細胞內將啟動兩種主要的修復機制：非同源末端連線（nonhomologous end joining，NHEJ）和同源重組（homology directed repair，HDR）。NHEJ不依賴模板直接連線DNA兩端，可以在DSB位點有效產生不同長度片段的插入或缺失，通常導致基因功能失活，快速但不精確；HDR依賴於模板進行定向修復，可以實現特定位點的精確插入、缺失或者鹼基置換，更精確。

此後，科學家便專注於開發各種基於核酸內切酶機制的基因編輯技術，以實現對特定基因組位點DSB的精確誘導。

技術鋅指核酸酶技術（ZFN）

技術鋅指核酸酶技術（ZFN）。

背景：1984年，科學家在非洲爪蟾的轉錄因子中發現鋅指蛋白，經過人工改造並與核酸內切酶連線，發展成鋅指核酸酶技術（Zinc Finger Nuclease, ZFN）。

結構：鋅指核酸酶由兩個部分組成：鋅指蛋白（Zinc Finger Protein, ZFP）和Fok1核酸內切酶。鋅指蛋白是由多個鋅指結構串聯而成，用於識別和結合特定的基因序列。Fok1核酸內切酶具有特異性的切割能力，通過二聚化形成一個有效的切割複合物，可以切割真核基因組中的任何特定識別序列。鋅指蛋白中的DNA識別域由一系列Cys2-His2鋅指結構組成（通常為3-4個），每個鋅指結構識別並結合特定的三個鹼基。

工作原理：多個鋅指蛋白結構串聯形成一個鋅指蛋白組，能夠識別特定的鹼基序列，具有高度的特異性。非特異性核酸內切酶來自Fok1，它位於C端，由96個胺基酸殘基組成切割域。Fok1是一種來自海床黃桿菌的限制性內切酶，只有在二聚體狀態下才具有切割活性。每個Fok1單體與一個鋅指蛋白組相連形成一個ZFN，它們識別特定的位點，當兩個識別位點之間的距離適當（6-8個鹼基）時，兩個ZFN單體相互作用形成切割功能，實現DNA的定點切割。

優勢：能夠在指定的位點引發DNA雙鏈斷裂，促使細胞啟動自然的DNA修復過程，包括同源重組和非同源末端連線，從而誘導位點特異性的基因重組。相對於傳統方法，鋅指核酸酶技術提高了基因組定點修飾的效率3-5個數量級，並有極高的特異性。可以在5-8周內實現永久、可遺傳的基因刪除、插入和修飾。

局限性：（1）鋅指核酸酶存在上下文依賴效應，即鋅指蛋白之間的相互作用可能影響對特定核苷酸序列的識別和結合。（2）在人類基因組中，每隔至少500個鹼基才能結合一個ZFN靶點，由模組組裝的ZFN不能直接切割染色體。

鋅指核酸酶工作原理圖

轉錄激活樣效應因子核酸酶技術

轉錄激活樣效應因子核酸酶技術（TALEN）。

背景：2007年，在植物黃單胞菌（Xanthomonas）中發現一種特殊的分泌蛋白質，被稱為轉錄激活因子樣效應物（Transcription activator-Like effector, TALE）。這種蛋白質具有結合植物宿主基因組並激活轉錄的能力。2009年，TALE與DNA結合的機制被闡明。2012年，轉錄激活因子樣效應物技術出現，逐漸取代了鋅指核酸酶技術。

結構及工作原理：TALEN由兩個部分組成：特異性識別和結合DNA的區域，即TALE；與ZFN相同的IIＳ型Fok1核酸酶，通過二聚化作用使目標DNA片段發生雙鏈斷裂。然後，利用細胞內的修復機制修復損傷。

局限性：（1）最初TALEN蛋白只能識別“胸腺嘧啶”。（2）在TALEN上連線重組酶或位點特異性轉座酶，可自動完成對基因組的切割和連線，可以在任何細胞中使用（即使在沒有NHEJ和HDR修復通路的細胞中），擴大了TALEN的套用範圍。然而，這些酶會產生較為明顯的脫靶效應。

轉錄激活樣效應因子核酸酶工作原理圖

轉錄激活樣效應因子核酸酶工作原理圖：TALEN由N端轉運信號、Ｃ端核定位信號、轉錄激活結構域和 DNA特異性識別結合結構域組成。

成簇規律間隔短回文重複序列-相關核酸酶

成簇規律間隔短回文重複序列-相關核酸酶技術（CRISPR-Cas）。

背景：CRISPR-Cas系統（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats-CRISPR associated protein）由兩部分構成：，即成簇規律間隔的短回文重複序列（CRISPR）及相關蛋白（Cas）。CRISPR序列由高度保守的重複序列（repeat）和間隔序列（spacer）組成。其中，間隔序列來源於外源基因。CRISPR序列附近還有一些相關基因，編碼一系列Cas蛋白（核酸酶）。該系統最初是從細菌和古細菌中發現的一種適應性免疫系統，可以抵禦病毒和質粒DNA的入侵。它的工作過程分為三個階段：（1）獲取；根據外源基因的原間隔序列臨近基序（protospacer adjacent motifs，PAM）確定原間隔序列，Cas蛋白將其切割，整合到CRISPR序列中。（2）表達：間隔序列經過轉錄、加工成為成熟的crRNA，識別外源基因。（3）干擾：crRNA與特異性Cas蛋白形成核糖核蛋白複合物，特異性切割外源基因。

 CRISPR-Cas9序列圖

結構及工作原理：CRISPR-Cas9包含兩種重要組分：行使核酸內切酶功能的Cas9蛋白；具有導向功能的sgRNA（由tracrRNA和crRNA連線而成）。Cas9由1409個胺基酸組成，包含兩個關鍵的核酸酶結構域（RuvC和HNH）。HNH結構域負責切割與其互補的DNA單鏈，切割位點位於PAM（protospacer adjacent motifs）序列上游3個核苷酸處。RuvC結構域則負責切割另一條DNA鏈，切割位點位於PAM序列上游3-8個核苷酸處。

局限性：（1）對PAM序列的依賴性和脫靶效應。（2）存在嵌合體現象。

CRISPR-Cas工作原理圖

三種基因編輯技術的優缺點

技術套用

遺傳疾病治療

基因編輯可以用於修復或糾正導致遺傳疾病的突變基因。例如，可以使用CRISPR-Cas9系統來修復單基因疾病（如囊性纖維化、遺傳性失聰等）中的突變基因，恢復其正常功能。

癌症治療

基因編輯可用於研究和治療癌症。例如，科學家可以利用基因編輯技術來研究腫瘤抑制基因和腫瘤促進基因，以了解其對癌症發展的影響，並開發新的治療方法。

農作物改良

基因編輯可以用於改良農作物，提高其產量、耐病性和適應性。通過編輯農作物基因組中的關鍵基因，可以使其具備更好的抗蟲性、耐旱性、耐鹽性等特性。

遺傳調控研究

基因編輯可用於研究基因在生物體發育和功能中的作用。通過刪除、插入或改變特定基因的序列，科學家可以研究基因對個體發育、生理過程和疾病發展的影響。

生物學研究工具：基因編輯技術提供了研究生物學基本原理的有力工具。通過編輯模型生物（如小鼠、果蠅、線蟲等）的基因，科學家可以研究基因功能、信號傳導途徑和疾病機制等。

生物能源生產

基因編輯可以用於改良微生物，使其能夠更有效地產生生物燃料或其他有用的化合物。

技術突破

（1）2016年，研發的鹼基編輯器base editor（BE）是一種可以在不產生DNA雙鏈斷裂的情況下實現單鹼基水平鹼基替換的工具，其在基礎研究和基因治療領域顯示出了極大的潛力。鹼基編輯器主要有3種類型：胞嘧啶鹼基編輯器 cytosine base editor（CBE）、腺嘌呤鹼基編輯器adenine base editor（ABE）和糖基化酶鹼基編輯器glycosylase base editor（GBE），它們在不需要DNA雙鏈斷裂和編輯模板的情況下可分別實現C-to-T，A-to-G和C-to-G的鹼基編輯。

（2）2019年，據英國《自然》雜誌21日發表的一項研究，美國博德研究所核心成員、華人生物學家劉如謙及其同事，提出一項新型編輯技術——“先導編輯Prime Editor（PE）”，支持靶向點突變、精準插入、精準刪除及其各種組合，而不造成DNA雙鏈斷裂。報告稱，這項技術比傳統Cas9編輯技術效率更高，副產物更少，脫靶率更低。

（3）2021年，美國博德研究所的研究人員開發了一種新版本的先導編輯：雙先導編輯（twin prime editing, twinPE），它可以整入或置換出基因大小的DNA序列。

（4）2022年，中國科學院賴良學課題組將腺嘌呤鹼基編輯器（ABE）和糖苷酶鹼基編輯器（CGBE）結合，開發出新型的雙鹼基編輯器——AGBE。它可以利用單個嚮導RNA（sgRNA）誘導同一等位基因的靶序列單獨或同時發生包括A-to-G、C-to-G、C-to-T和C-to-A等4種不同類型的鹼基轉換。

未來發展

未來的最佳化方向：提高編輯效率、降低脫靶風險（增強靶向性/特異性）、降低對細胞的擾動、最佳化遞送方式（提高治療效率）。

風險和爭議

（1）在技術層面，基因編輯技術的倫理問題在於技術上尚不完善，可能導致套用過程中的諸多不確定性。

①準確率不足導致的“脫靶效應”

脫靶效應是指，基因編輯工具在編輯目標基因時，無法精確到只和靶序列結合，切割操作並不精準，依靠外源DNA做同源修復效率低，可能會誤切或者誤編輯到非目標區域，從而導致非預期的基因編輯。

②編輯效率低下產生的“嵌合效應”

由於胚胎細胞的特殊性質，基因編輯技術在編輯人類胚胎時，可能會導致未完全編輯細胞的“嵌合效應”。嵌合體：不同遺傳性狀嵌合或混雜表現的個體，亦指染色體異常類型之一。

③CRISPR/Cas9系統進入人體內導致的“免疫效應”

④編輯特定功能性基因導致的不可預知的“副作用”

（2）在社會層面，基因編輯技術可能會對社會公平與正義產生衝擊，導致社會發展倫理問題的出現。例如，基因編輯手段可能加劇社會中存在的偏見和狹隘，加劇家庭觀念及共同利益的衝擊，動搖技術的平等獲取和社會正義。

（3）在生態層面，基因編輯技術可以改變物種的基因庫，帶來不可控的風險後果。例如，基因編輯所帶來的“多代效應”後果難以評估，可能會人為增加人類出現遺傳問題的風險；在農業領域的套用可能會對生態環境產生不良影響，損害整體的自然生態，人為定向基因選擇可能會導致基因的多樣性消失；基因編輯食品所涉及的食品安全和監管，以及間接引發的法律規制等問題。

典型事件

2018年11月26日，南方科技大學副教授賀建奎在香港舉行的國際基因組編輯峰會上宣布，他已經使用CRISPR/Cas9基因編輯技術，成功地將一對名為“露露”和“娜娜”雙胞胎女嬰的CCR5基因進行了改造，於中國誕使其具有抗HIV的能力。第一對基因編輯嬰兒在中國誕生，這一事件引起了全球範圍內的廣泛關注和爭議。

2022年10月，一位名叫Terry Horgan的27歲杜氏肌營養不良症（duchenne muscular dystrophy，DMD）患者在接受腺相關病毒（AAV9）載體遞送的CRISPR基因編輯治療後不幸去世。雖然目前尚不清楚Terry Horgan去世的真正原因，以及是否與CRISPR有關，但它的去世無疑引發了人們對CRISPR基因編輯療法前景的擔憂和質疑。

法律規定

2020年12月26日，第十三屆全國人民代表大會常務委員會第二十四次會議通過《中華人民共和國刑法修正案（十一）》，在刑法第三百三十六條後增加一條，作為第三百三十六條之一：“將基因編輯、克隆的人類胚胎植入人體或者動物體內，或者將基因編輯、克隆的動物胚胎植入人體內，情節嚴重的，處三年以下有期徒刑或者拘役，並處罰金；情節特別嚴重的，處三年以上七年以下有期徒刑，並處罰金”。

2021年2月22日，最高人民法院審判委員會第1832次會議、2021年2月26日最高人民檢察院第十三屆檢察委員會第六十三次會議通過的《最高人民法院最高人民檢察院關於執行，<中華人民共和國刑法>確定罪名的補充規定（七）》規定了非法植入基因編輯、克隆胚胎罪罪名。

2021年7月12日，世界衛生組織發布兩份互相關聯的報告《人類基因編輯管治框架》與《人類基因編輯建議》，就如何在全球範圍內使人類基因編輯技術成為促進公共健康的工具提出了首份建議，重點強調安全、有效及合乎道德。報告在九大不同領域分別對人類基因編輯的管理和監督提出了建議，包括人類基因編輯登記註冊；國際研究以及出於醫療目的的跨國旅行；非法、未註冊、不道德和不安全的研究；智慧財產權；以及教育、參與和賦權等。