基因編輯技術(shù)領(lǐng)域的研究與發(fā)展

摘要：本文主要闡述了基因編輯技術(shù)的發(fā)展，并從基因編輯系統(tǒng)機(jī)制研究與發(fā)展、動(dòng)植物模型構(gòu)建、基因治療、交流平臺(tái)四個(gè)方面對(duì)我國(guó)在基因編輯領(lǐng)域的成果進(jìn)行了分析，旨在為了解基因編輯技術(shù)的發(fā)展歷程及利用該技術(shù)進(jìn)行深入研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基因編輯;遺傳工程;基因功能

中圖分類(lèi)號(hào)： Q78;Q819 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號(hào)： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.063

隨著人類(lèi)基因組計(jì)劃的完成和高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，人們讀取大量序列信息的能力得到飛速提升?！白x”取能力的提高進(jìn)一步激發(fā)了人們改寫(xiě)生物體內(nèi)遺傳序列信息的需求，而近年來(lái)發(fā)展迅速的基因編輯技術(shù)則大幅提高了這種“寫(xiě)”的能力。這種特殊的生物技術(shù)能夠讓研究者對(duì)基因組序列或者基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行人為編輯，以改變目的基因或調(diào)控元件的序列、表達(dá)量或功能。這一革命性技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世就沖擊到生命科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，必將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)人類(lèi)健康、疾病治療、新藥研發(fā)、物種改良以及生命科學(xué)基礎(chǔ)研究等眾多方面產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響，也是世界范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的下一代核心生物技術(shù)。

1 基因編輯技術(shù)的發(fā)展

基因編輯技術(shù)是一種能夠?qū)ι矬w的基因組及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行定點(diǎn)修飾或者修改的技術(shù)，早期基因編輯技術(shù)包括歸巢內(nèi)切酶、鋅指核酸內(nèi)切酶和類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物。近年來(lái)，以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為代表的新型技術(shù)，使基因編輯的研究和應(yīng)用領(lǐng)域得以迅速拓展。

早期基因編輯技術(shù)包括歸巢內(nèi)切酶、鋅指核酸內(nèi)切酶和類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物，但脫靶效應(yīng)或組裝復(fù)雜性限制了這些技術(shù)在基因編輯領(lǐng)域中的應(yīng)用。近年來(lái)，以CRISPR/Cas9 系統(tǒng)為代表的新型基因編輯技術(shù)飛速發(fā)展，并開(kāi)始在諸多生物學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

早期的基因編輯技術(shù)依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)同源重組途徑將外源 DNA 序列插入基因組。通過(guò)在外源DNA 序列兩端加入同源臂，能夠?qū)崿F(xiàn)外源序列的精確整合。然而，真核生物中同源重組發(fā)生頻率極低，約為1/106～1/109;并且相對(duì)于靶位點(diǎn)而言，外源序列更容易隨機(jī)整合到基因組上其他位點(diǎn)，造成脫靶效應(yīng)，從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

2 我國(guó)在基因編輯領(lǐng)域的研究進(jìn)展

2.1 基因編輯系統(tǒng)機(jī)制研究與發(fā)展

中國(guó)科學(xué)院生物物理所王艷麗研究組和哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃志偉研究組對(duì)Cpf1-cr RNA 復(fù)合物、Spy Cas-sg RNA-Acrll A4 復(fù)合物、Cas1-Cas2-DNA 復(fù)合物、Cas13a 蛋白、Cas13a-cr RNA 復(fù)合物以及CRISPR 系統(tǒng)Cascade 復(fù)合物等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析及機(jī)制分析，為理解基因編輯工作原理及其調(diào)控機(jī)制提供了重要依據(jù)。中國(guó)科學(xué)院健康科學(xué)研究所常興研究組利用靶向性胞嘧啶脫氨酶在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效、高通量DNA堿基編輯新方法;上?？萍即髮W(xué)陳佳研究組發(fā)展了一系列基于 CRISPR/

Cpf1 的新型堿基編輯器（Cpf1- BE）。北京大學(xué)魏文勝研究組建立了基于CRISPR系統(tǒng)的高通量篩選方法，并在全基因組范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼基因和非編碼基因的功能性篩選。

2.2 動(dòng)植物模型構(gòu)建

2013年，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所周琪研究組首次利用 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大鼠多基因快速同時(shí)敲除，并建立了多種基因編輯動(dòng)物模型。近期，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴(lài)良學(xué)研究組利用CRISPR技術(shù)成功構(gòu)建了亨廷頓病疾病豬模型。

在遺傳信息與生理特性上，食蟹猴、獼猴等靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物與人類(lèi)具有更高的相似性，是作為人類(lèi)疾病研究的理想模型。2016年，中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院項(xiàng)鵬、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院楊世華和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所周琪研究組在食蟹猴中應(yīng)用 TALEN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MCPH1 基因（最早被鑒定出來(lái)的小頭癥相關(guān)基因）突變，成功獲得了人類(lèi)頭小畸形癥的疾病模型猴。昆明理工大學(xué)季維智等利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了多種靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物疾病模型，如利用TALEN 技術(shù)構(gòu)建了瑞特綜合征食蟹猴模型，該成果入選了“2017 年中國(guó)生命科學(xué)十大進(jìn)展”。2018 年初，《Cell Research》 雜志連續(xù)發(fā)表兩篇分別來(lái)自中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所楊輝和季維智等研究組的論文，報(bào)道了世界首例表達(dá)熒光蛋白基因敲入的食蟹猴。

在植物基因編輯方面，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞、中國(guó)科學(xué)院上海植物逆境生物學(xué)研究中心朱健康和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光等研究組分別利用CRISPR-Cas9 系統(tǒng)在擬南芥、水稻、小麥、玉米等多種植物中成功實(shí)現(xiàn)了基因編輯，為植物基因研究及農(nóng)作物遺傳改良提供了平臺(tái)。

2.3 基因治療

2016年，《Nature》雜志報(bào)道了中國(guó)率先開(kāi)展的世界首個(gè)人類(lèi)CRISPR 臨床試驗(yàn)。研究者計(jì)劃將PD-1敲除的T細(xì)胞注射到化療、放療和其他治療均無(wú)效的轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌患者體內(nèi)，以促進(jìn)機(jī)體針對(duì)癌細(xì)胞的免疫反應(yīng)。中山大學(xué)黃軍就研究組首次在不能存活的人類(lèi)三核受精卵中應(yīng)用CRISPR/ Cas9 技術(shù)對(duì)β-地中海貧血癥的致病基因進(jìn)行了基因編輯。由于涉及人類(lèi)胚胎編輯，這項(xiàng)研究在世界范圍內(nèi)引起了廣泛討論，使科學(xué)界和全社會(huì)對(duì)其應(yīng)用前景和可能涉及的倫理風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生了關(guān)注。

2.4 交流平臺(tái)

2017年9 月，我國(guó)首個(gè)基因組編輯學(xué)術(shù)團(tuán)體——中國(guó)遺傳學(xué)會(huì)基因組編輯分會(huì)在北京成立，中國(guó)遺傳學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng)李家洋擔(dān)任大會(huì)主席，該學(xué)會(huì)的成立為從事基因編輯研究的學(xué)者提供了良好的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。2018年4月，第一屆基因編輯技術(shù)方向的冷泉港國(guó)際會(huì)議：“冷泉港亞洲會(huì)議—基因組編輯全面討論”于蘇州召開(kāi)，來(lái)自世界各地的科學(xué)家就基因編輯的最新研究進(jìn)展開(kāi)展了廣泛而深入的討論。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著研究者的不斷深入探索，基因編輯技術(shù)正在逐步發(fā)展成熟，具有極大的研究潛力和廣闊的應(yīng)用前景。相信在不久的將來(lái)，基因編輯技術(shù)會(huì)在人類(lèi)生產(chǎn)和臨床疾病治療中發(fā)揮其不可替代的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：高孟晉，在讀本科生，研究方向：生物技術(shù)。