基因編輯
——擎起“人定勝天”的先進(jìn)技術(shù)

谷峰

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院上海獸醫(yī)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部獸用化學(xué)藥物及制劑學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200241）

人類，作為地球的主人，利用其聰明才智，推動著科學(xué)在不斷的進(jìn)步。在遠(yuǎn)古時(shí)代，我們的祖先茹毛飲血，獲得食物的方法主要包括漁獵和采摘自然果蔬。但是在特殊的季節(jié)，如酷熱的夏天和寒冷的冬天以及陰雨連綿的雨季，獲取食物將會成為十分棘手的問題。我們祖先在思考，是否可以將果實(shí)種子播種作為作物（今天以水稻、小麥、玉米為代表的糧食作物），這樣栽培后可以獲得更多的糧食，是否可以將野生的動物馴化為家畜和家禽（今天以豬/馬/牛/羊、雞/鴨/鵝為代表的食品動物）。這些改造自然的過程誕生了人類最原始的大農(nóng)業(yè)：種植業(yè)和畜牧業(yè)。為了獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)動植物，育種自然成為人類科學(xué)的“第一步”。而發(fā)酵業(yè)源于人類利用微生物對糧食或果品的作用，制造了酒、醋、醬油等生活品，讓人類的餐盤更加“有滋有味”。在疾病面前，人類沒有退縮，神農(nóng)“嘗百草”開啟了人類同疾病的斗爭。 在這些漫漫歷史長河中，人類不斷地認(rèn)識自然、敬畏自然和改造自然。而定向的物種改造如同一根“線”，始終貫穿在人類歷史長河中。定向育種的本質(zhì)是人類不斷對含有基因組變化的個(gè)體進(jìn)行選育的過程。傳統(tǒng)的遺傳育種是一個(gè)耗時(shí)、耗力且耗財(cái)?shù)倪^程，如何更高效地進(jìn)行物種改造，一直是人類思考的問題?；蜃鳛樯w的主要承載體，高效、特異的編輯基因，以此造福于人類，曾經(jīng)是人類的“夢想”。“美夢成真”將極大的促進(jìn)人類改造自然界中物種的能力，包括利用其作為人類疾病的治療“武器”。今天，作為新興的技術(shù)，基因編輯正在生命領(lǐng)域引發(fā)一場技術(shù)革命。

在此背景下，《生物技術(shù)通報(bào)》邀請了一批以年輕人為主的科研團(tuán)隊(duì)，推出一期主題為“基因編輯”的專題（包括綜述10篇，研究論文5篇）。該專題匯集了多個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展， 分別從醫(yī)學(xué)（含動物）、植物、微生物和技術(shù)方法學(xué)等方面進(jìn)行了展示。

白血病是人類最常見的血液系統(tǒng)疾病之一。5-脂氧合酶（5-LO，編碼基因?yàn)锳LOX5）可能是白血病生物標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)。但目前ALOX5功能及致病機(jī)理尚未完全清晰。昆明理工大學(xué)撒亞蓮團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了靶基因?yàn)锳LOX5的CRISPR/Cas9載體，為后續(xù)在白血病中闡明ALOX5功能奠定了基礎(chǔ)。糖尿病是常見的代謝病之一，蛋白激酶A（PKA）在促進(jìn)胰島β細(xì)胞分泌胰島素中的角色仍然不很清晰，為此，南方醫(yī)科大學(xué)姚新剛團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在大鼠胰島瘤細(xì)胞中成功敲除PKA C-α基因，為研究PKA C-α在胰島β細(xì)胞中的功能奠定了基礎(chǔ)。上皮鈉通道廣泛分布于肺泡上皮細(xì)胞中，α-ENaC蛋白是上皮鈉通道的功能亞基。為了更好地研究α-ENaC蛋白在II型肺泡上皮細(xì)胞中的功能，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院白義春團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9成功構(gòu)建α-ENaC基因敲除的細(xì)胞株。進(jìn)一步闡明α-ENaC對大鼠II型肺泡上皮細(xì)胞細(xì)胞增殖的調(diào)控機(jī)制及其它功能奠定了基礎(chǔ)。廣西師范大學(xué)楊柳團(tuán)隊(duì)總結(jié)了CRISPR技術(shù)在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)中的研究。

動物生物反應(yīng)器是醫(yī)藥研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是動物生物反應(yīng)器的關(guān)鍵基礎(chǔ)，河南科技大學(xué)董發(fā)明團(tuán)隊(duì)總結(jié)了優(yōu)化外源基因在動物體內(nèi)高效表達(dá)的相關(guān)策略，為以動物基因工程為基礎(chǔ)的生物醫(yī)藥研發(fā)和動物育種提供了參考。在構(gòu)建動物疾病模型和大動物育種方面，體細(xì)胞核移植技術(shù)是動物克隆的核心技術(shù)。手工克隆為核移植技術(shù)一種，其不僅操作程序簡單、不需要顯微操作儀、成本較低，還可以提高囊胚率。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所楊博輝團(tuán)隊(duì)對手工克隆的操作細(xì)節(jié)、表觀遺傳重編程異常和重編程異常修復(fù)等進(jìn)行了總結(jié)與展望，以期更好地將其應(yīng)用到人類疾病模擬和畜牧生產(chǎn)中。

鱗翅目昆蟲種類繁多，遺傳多樣性極高。家蠶是人類最早養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)昆蟲之一，目前家蠶生物反應(yīng)器也是生物醫(yī)藥方向之一。斜紋夜蛾和棉鈴蟲是棉花種植中重要的農(nóng)業(yè)昆蟲。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所蕭玉濤團(tuán)隊(duì)對鱗翅目這三種昆蟲對應(yīng)的基因編輯研究進(jìn)行了總結(jié)，并對應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。這些為鱗翅目昆蟲功能基因組解析與相應(yīng)的綠色防控提供參考。

水稻作為重要的糧食作物之一，培育改良的香味品質(zhì)將更符合人們需求，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李毅丹團(tuán)隊(duì)對水稻中OsBADH2基因進(jìn)行了編輯，這為水稻品種改良奠定了基礎(chǔ)。馬鈴薯是餐桌上常見蔬菜之一，隨著國家實(shí)行的馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，人們對于不同的馬鈴薯的需求更加旺盛?；蚓庉嫾夹g(shù)將大大加快馬鈴薯的定向育種。云南師范大學(xué)龔明團(tuán)隊(duì)總結(jié)了基因編輯技術(shù)在馬鈴薯育種中的應(yīng)用，分析了目前存在的問題，并對技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了展望，這些將為基因編輯技術(shù)用于馬鈴薯定向育種提供借鑒。

谷氨酸棒桿菌是一種具有重要工業(yè)應(yīng)用價(jià)值并且安全的底盤微生物，目前被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)品生產(chǎn)，特別是氨基酸的生產(chǎn)。堿基編輯作為新型基因編輯技術(shù)，目前在人類細(xì)胞、動物、植物和微生物中得到了應(yīng)用。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所王猛團(tuán)隊(duì)在谷氨酸棒桿菌中開發(fā)了一種單質(zhì)粒堿基編輯系統(tǒng)，這些為工業(yè)微生物基因組改造提供了更多的便利。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)除了用于基因定點(diǎn)改造，因其具備特異性切割核酸的能力，也被用于分子檢測，由此構(gòu)建快速、超敏、高特異性的生物傳感系統(tǒng)。重慶大學(xué)羅陽團(tuán)隊(duì)對基于CRISPR/Cas系統(tǒng)的生物傳感策略進(jìn)行了總結(jié)，并展望了其未來發(fā)展的方向。RNA作為生命體的重要組成， CRISPR/Cas13可以靶向ssRNA，中國科學(xué)院植物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究所李軒團(tuán)隊(duì)對該家族的分類以及防御機(jī)制進(jìn)行了綜述，介紹了 CRISPR/Cas13 技術(shù)的應(yīng)用及其進(jìn)展，并對該體系存在的問題進(jìn)行了分析和展望。

最后需要指出，目前的基因編輯技術(shù)并不是完美的，相關(guān)的脫靶問題嚴(yán)重限制了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用，這也是制約其作為臨床藥物治療人類疾病的重要瓶頸。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的許文濤團(tuán)隊(duì)就CRISPR/Cas9系統(tǒng)的脫靶類型、影響因素、降低策略以及脫靶檢測技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。這些將為基因編輯技術(shù)在動植物的應(yīng)用研究和人類遺傳病的治療研究提供參考。

本期專題的推出是在國家抗擊新型冠狀病毒的特殊時(shí)期，基因編輯技術(shù)將會在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)中廣泛應(yīng)用，相關(guān)的技術(shù)革命將為人類的健康（疫苗和有效藥物的研發(fā)）和高質(zhì)量的工業(yè)/農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供保障。廣大科技人員利用以基因編輯技術(shù)為主體的先進(jìn)生物技術(shù)將最終會戰(zhàn)勝瘟疫，“人定勝天”。