CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在植物中的應(yīng)用與政策監(jiān)管

偶 春，張 敏，丁 霖，姚俠妹，王澤璐，彭 城，*，徐俊鋒

(1.阜陽師范大學(xué) 生物與食品工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 浙江省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風(fēng)險防控國家重點實驗室，浙江 杭州 310021； 3.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022)

全球人口快速增加，氣候急劇變化，隨之而來的是耕地數(shù)量不斷減少，自然資源極度稀缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展形勢嚴(yán)峻等一系列農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展問題。當(dāng)前，迫切需要通過最先進(jìn)、最前沿的技術(shù)提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)?；蚓庉嫾夹g(shù)促進(jìn)了對基因位點的精確、高效和有針對性的修改，深刻改變了植物研究領(lǐng)域創(chuàng)新版圖，并在作物改良方面具有巨大潛力?；蚓庉嫳O(jiān)管政策的制定使部分基因編輯產(chǎn)品商業(yè)化成為現(xiàn)實，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全，也使得基因編輯成為目前最炙手可熱的分子生物技術(shù)。

1 基因編輯技術(shù)的發(fā)展

基因編輯技術(shù)是一項對生物體內(nèi)源基因進(jìn)行精準(zhǔn)定點修飾的技術(shù)，通過核酸酶來剪切DNA鏈(DNA strand)，對特定目標(biāo)序列DNA片段的敲除和插入等，能夠高效率、低成本地定點編輯多種基因，從而影響并改變基因的分子功能。目前，應(yīng)用在各領(lǐng)域最多的基因編輯系統(tǒng)主要是成簇規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列及其相關(guān)系統(tǒng)(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated 9， CRISPR/Cas9)技術(shù)。鋅指核酸酶技術(shù)(zinc-finger nucleases，ZFNs)、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶技術(shù)(transcription activator-like effector nucleases，TALENs)已較少應(yīng)用。

1.1 基因編輯技術(shù)的介紹

1.1.1 ZFNs和TALENs

ZFNs和TALENs作為前兩代基因編輯技術(shù)在基因工程改造領(lǐng)域具有里程碑意義。兩種基因編輯技術(shù)分別是通過鋅指蛋白(zinc finger protein，ZFP)和轉(zhuǎn)錄啟動樣效應(yīng)蛋白(transcription activator-like effector，TALE)靶向識別并結(jié)合待編輯的DNA序列，與核酸內(nèi)切酶Ⅰ融合后，可對目標(biāo)序列切割。在DNA雙鏈斷裂(double-stranded breaks，DSBs)之后，通過非同源末端連接(non-homologous end joining，NHEJ)和同源重組(homologous recombination，HR)來修復(fù)連接。兩種基因編輯技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于靶向基因突變，甚至在生物制藥、相關(guān)癌癥疾病的基因治療方面也具有重要指導(dǎo)意義，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

1.1.2 CRISPR/Cas及其作用原理

與之前的基因編輯技術(shù)相比，CRISPR/Cas系統(tǒng)因低成本、易操作、高效率等優(yōu)點受到學(xué)術(shù)和行業(yè)內(nèi)人士的歡迎，成為新一代基因編輯技術(shù)，該技術(shù)的開發(fā)者Charpentier E和Doudna J A于2020年獲得諾貝爾化學(xué)獎。利用該技術(shù)可以快速高效地實現(xiàn)對生物基因組的定點編輯修飾，在植物中，修飾后的植物體在當(dāng)代就可獲得純合植株，通過自交或回交的方法即可剔除外源載體序列，使編輯后的植株與自然界的自發(fā)突變(自然變異)或人工誘變的突變體植株沒有本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)Cas編碼基因核心元件的序列差異，CRISPR/Cas系統(tǒng)可以分為Ⅰ類系統(tǒng)、Ⅱ類系統(tǒng)和Ⅲ類系統(tǒng)。其中，CRISPR/Cas9是唯一被優(yōu)先應(yīng)用于基因編輯的Ⅱ類系統(tǒng)，被稱為目前為止最強大的基因編輯工具。CRISPR/Cas9已成為作物基因工程的最先進(jìn)系統(tǒng)之一。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)最常用的Cas9蛋白來自釀膿鏈球桿菌，Cas9蛋白與復(fù)合物結(jié)合，識別外源DNA序列上的原型間隔毗鄰序列(proto-spacer adjacent motif，PAM)后，整合到CRISPR位點的2個相鄰重復(fù)序列之間的間隔。當(dāng)外源物質(zhì)再次入侵時，外源DNA片段的CRISPR基因座被整合轉(zhuǎn)錄生成pre-crRNA(pre-spacer containing RNA)和反式激活RNA(trans-activating crRNA， tracrRNA)，pre-crRNA被核酶Ⅲ與tracrRNA切割，形成成熟的CRISPR RNA(CRISPRRNAs， crRNA)；研究人員通過人為方式將crRNA和tracrRNA連接形成向?qū)NA(single guide RNA， sgRNA)的嵌合RNA分子，通過sgRNA與靶基因互補配對，Cas9可切割sgRNA互補配對的20個核苷酸序列的活性區(qū)域(2個核酸酶結(jié)構(gòu)域HNH和RuvC)，引起DNA雙鏈斷裂，再利用NHEJ(non-homologous end joining)對DNA雙鏈斷裂進(jìn)行修復(fù)或進(jìn)行堿基插入、敲除、替換等突變類型，技術(shù)原理圖見圖1，根據(jù)Gao等稍作修改。

圖1 CRISPR/Cas9技術(shù)原理圖[19]Fig.1 Technical schematic diagram of CRISPR/Cas9[19]

2 CRISPR/Cas9技術(shù)在植物中的應(yīng)用

由于CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)周期短且工作量小，編輯效率高，實現(xiàn)了作物定向改造和精準(zhǔn)穩(wěn)定的遺傳，其為植物基因編輯體系建立，功能研究與作物性狀改良提供了強有力的手段。隨之而來的是，越來越多的基因編輯研究應(yīng)用實例被報道，國內(nèi)外加快了基因編輯技術(shù)的推進(jìn)和改良步伐，基因編輯產(chǎn)品也逐漸為大眾所接受，并走向商業(yè)化。

2.1 植物CRISPR/Cas9基因編輯體系的建立

目前，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種單子葉植物和雙子葉植物中，如水稻(L.)、小麥(L.)、馬鈴薯(L.)、玉米(L.)、大豆()和擬南芥()等。在Feng等的研究中，他們通過OsU6-2啟動子驅(qū)動sgRNA，并將這種RNA和由35S啟動子驅(qū)動的含核定位信號的hSpCAS9亞克隆到同一個表達(dá)載體中，研究5、和這3個基因，在獲得的T代轉(zhuǎn)基因株系中，除的突變效率僅為5%外，另外2個基因的突變效率都高達(dá)26%～84%，且大約10%的T代是純合突變株系。Zhang等針對、3、、1、1、5、1、5、和基因分別設(shè)計sgRNA，在獲得的T代轉(zhuǎn)基因株系中，平均44.4%產(chǎn)生了突變，其中，純合突變的突變株系占7.7%，提高了轉(zhuǎn)化效率。Shan等利用水稻密碼子優(yōu)化Cas9核酸酶基因，并通過水稻的U3啟動子對sgRNA的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行控制，對水稻的基因進(jìn)行定點突變，在T代便獲得了純合基因敲除水稻突變體，突變體水稻有白化表型。Wang等利用基因編輯技術(shù)定向修飾了小麥的3個等位基因，篩選了基因功能缺失的小麥株系，獲得了廣譜白粉病抗性的小麥品系。Zhang等的研究結(jié)果表明，在小麥愈傷組織細(xì)胞中瞬時表達(dá)CRISPR/Cas9 DNA或IVT可以有效誘導(dǎo)靶向基因，并形成無轉(zhuǎn)基因殘留片段的株系。在T代，他們成功地獲得了在六倍體面包小麥(cvs Bobwhite和Kenong 199)和四倍體硬粒小麥(cvs Shimai 11和Yumai 4)中未檢測到轉(zhuǎn)基因成分的純合突變體7、2、2、7，突變可以穩(wěn)定地遺傳給后代。CRISPR/Cas9技術(shù)在植物建立基因編輯體系方面具有重要的指導(dǎo)性和輔助性意義。

2.2 CRISPR/Cas9技術(shù)在植物性狀改良中的應(yīng)用

CRISPR/Cas9技術(shù)已在植物改良應(yīng)用中得到開發(fā)，主要包括提高植物抗性、提高產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)等。在提高抗性方面，Wang等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除了粳稻中的922基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，純合突變株系的稻瘟病抗性與野生型相比顯著增強，農(nóng)藝性狀沒有明顯改變。Nekrasov等通過編輯1獲得抗白粉病番茄，Ortigosa等通過破壞2獲得了抗細(xì)菌斑點番茄。在提高作物產(chǎn)量方面，Li等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對水稻品種中華11的1、1、1和3基因進(jìn)行編輯，分別產(chǎn)生了直立穗、高籽粒數(shù)和顆粒飽滿的突變體。Syahariza等利用CRISPR/Cas9技術(shù)將番茄中的5突變失活后，番茄生育期縮短，花期提前，更有利于番茄產(chǎn)量的提升。在改善作物品質(zhì)方面，Wang等對兩種玉米BADH2同源物ZmBADH2a和ZmBADH2b進(jìn)行了表征；然后，他們使用CRISPR/Cas在4個玉米自交系中產(chǎn)生和單突變體，以及雙突變體，雙突變體種子中有爆米花般的香味，但單突變體和野生型種子中都沒有。Zhang等的研究表明，2是谷類作物中的一個關(guān)鍵基因，當(dāng)其被破壞時會增加小麥的粒重和蛋白質(zhì)含量。用CRISPR/Cas9技術(shù)編輯亞麻薺2基因，可以提高亞麻薺油酸含量，同時降低亞麻薺中的多不飽和脂肪酸。通過常規(guī)育種很難或不可能產(chǎn)生新的作物種質(zhì)，在諸多定向提升改良植物性狀的實驗室實驗和大田試驗中，CRISPR/Cas9技術(shù)都表現(xiàn)得非常理想，這證明了基因編輯技術(shù)在作物改良中的潛力和多功能性。

2.3 基因編輯技術(shù)介入的產(chǎn)品商業(yè)化應(yīng)用

CRISPR/Cas9技術(shù)對農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展和全球糧食安全至關(guān)重要，是一項能將不可能變?yōu)榭赡艿母脑旒夹g(shù)。目前，少數(shù)經(jīng)過基因編輯的作物在一些地區(qū)商業(yè)化。2015年，美國種植了4 000 hmSU油菜TM，這是全球首個商業(yè)化的基因組編輯作物。2016年，雜志報道，由科學(xué)家楊亦農(nóng)利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)得到的人工蘑菇已經(jīng)開始被種植售賣，美國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部(USDA)認(rèn)為不需特殊監(jiān)管程序來監(jiān)管這種蘑菇的培養(yǎng)和售賣。2018年，英國對經(jīng)過基因編輯的亞麻薺()進(jìn)行田間試驗，生產(chǎn)一種與橄欖油相似的產(chǎn)品。2021年9月11日，MHLW召開專家會議，研究了一種基因編輯番茄，發(fā)現(xiàn)該番茄富含抑制血壓上升功能的成分——γ-氨基丁酸(GABA)，其含量是普通番茄的5倍多。在2020年全國兩會小組討論上，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院院士曹曉風(fēng)說：“基因編輯育種，就是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的5G技術(shù)”。我國的基因編輯技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢全球領(lǐng)先，但是一直沒有基因編輯作物作為商品推廣銷售，建議加快花卉、盆栽等一系列經(jīng)濟(jì)作物的推廣，加快基因編輯產(chǎn)業(yè)化步伐。

3 CRISPR/Cas9系統(tǒng)的局限性與改進(jìn)方法

3.1 脫靶問題

脫靶問題是CRISPR/Cas9技術(shù)的主要局限性之一，克服高頻的脫靶效應(yīng)一直以來都是科研人員迫切需要解決的焦點問題。脫靶效應(yīng)往往是由于該技術(shù)會出現(xiàn)sgRNA與DNA間的錯配，在基因組中，與靶位點序列相似的序列也會被CRISPR/Cas9錯誤識別并切割。在最新的一項研究中，Walton等開發(fā)了一種名為SpG的化膿鏈球菌Cas9變體，該變體幾乎完全消除了PAM的局限性，并能夠靶向更廣泛的NGNPAM；實驗優(yōu)化后，他們又開發(fā)出SpRY變體，使用2個新型Cas9變體使研究人員獲得與疾病相關(guān)的全新基因變體；新的實驗實現(xiàn)了高精準(zhǔn)靶向編輯，這給未來進(jìn)一步深入探究生物的基因功能提供前沿技術(shù)支持。此外，可以通過回交消除一定數(shù)量的脫靶突變，通過瞬時表達(dá)編輯試劑來增強CRISPR-Cas的特異性。不可忽略的是，BLAST工具和生物信息軟件可以與NCBI(National Center for Biotechnology Information)平臺相結(jié)合，以最大限度地減少脫靶頻率。然而，有研究表明，在植物中避免基因脫靶情況并沒有在動物中那么重要，因為植物中組織誘變，或者其他物理化學(xué)誘變的風(fēng)險遠(yuǎn)高于CRISPR/Cas9脫靶風(fēng)險。

3.2 編輯效率問題

CRISPR/Cas9系統(tǒng)中的靶點效率問題幾乎困擾著所有相關(guān)科研人員，其表現(xiàn)在CRISPR/Cas9系統(tǒng)對不同靶點的切割效率差異很大，許多靶點甚至檢測不到突變位點。原則上，HDR(homology directed repair)介導(dǎo)的基因組編輯效率較低。研究人員通過使用雙生病毒構(gòu)建載體、植物體內(nèi)基因靶向(GT)系統(tǒng)或化學(xué)修飾穩(wěn)定供體模板等各種策略來提高植物細(xì)胞中的HDR效率，但是該過程本身在植物體細(xì)胞中仍然效率極低。為了克服這些限制，研究人員將幾種核酸脫氨酶與CRISPR/nCas[如 nCas9(D10A)]融合以實現(xiàn)堿基編輯，開發(fā)了DNA堿基編輯系統(tǒng)，胞苷脫氨酶和腺嘌呤脫氨酶可與CRISPR/nCas9(D10A)融合生成胞嘧啶堿基編輯器(CBE)和腺嘌呤堿基編輯器(ABE)，從而實現(xiàn)在特定基因的靶區(qū)內(nèi)CG替換為TA，或AT替換為GC。除堿基編輯外，Prime Editor通過將突變的M-MLV-RT(莫羅尼鼠白血病病毒逆轉(zhuǎn)錄酶)融合到催化受損的Cas9(H840A)的C-末端，并使用由sgRNA組成的針對特定位點的prime編輯導(dǎo)向RNA(pegRNA)進(jìn)行編程，編碼所需編輯的逆轉(zhuǎn)錄(RT)模板和引物結(jié)合位點(PBS)可以引入所有12類單核苷酸替換和預(yù)定義的小指標(biāo)，而無需DSB(double strand break)。除了通過編輯器提高靶點效率外，Moren-Mateos等發(fā)現(xiàn)，靶點富集G而缺乏A可以提高sgRNA的穩(wěn)定性和活性，并且建立了CRISPRscan系統(tǒng)，幫助科研人員篩選高效的靶位點；通過嘗試優(yōu)化Cas9啟動子，在一定程度上提高了T、T代轉(zhuǎn)化株系的編輯效率。Doench等發(fā)現(xiàn)，改變PAM序列，sgRNA的活性也會隨之變化，PAMCGGT形式的序列效果比典型的NGG序列效果更好。最后，鑒于不同靶點切割效率的巨大差異，科研人員推測造成這一問題的原因可能是部分靶點的錯誤轉(zhuǎn)錄造成的。Xie等利用RNA策略在水稻中固化了所有sgRNA的轉(zhuǎn)錄起始位點，這大大增加了sgRNA的活性。此外，為幫助科研人員進(jìn)行高效靶點的篩選，有很多科研人員建立了數(shù)據(jù)庫。因此，進(jìn)一步提高植物細(xì)胞中的基因編輯活性，還需期待有更多、更好的策略。

4 世界主要國家基因編輯安全管理概況

基因編輯技術(shù)在促進(jìn)全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等方面擁有諸多其他技術(shù)無法替代的優(yōu)點，但基因編輯技術(shù)給物種帶來的遺傳變異是否會對人類健康、生態(tài)環(huán)境帶來潛在風(fēng)險也是人們非常質(zhì)疑和擔(dān)心的問題，因此，必須建立科學(xué)嚴(yán)格的監(jiān)管制度政策，在保障人類健康、動物健康和環(huán)境安全的前提下以達(dá)到基因編輯作物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的目的。目前，不同國家和地區(qū)對基因編輯產(chǎn)品持不同態(tài)度，尚未達(dá)成統(tǒng)一的規(guī)定。現(xiàn)在的監(jiān)管框架主要分為兩類，美國、阿根廷、加拿大、英國、日本和俄羅斯等是基于產(chǎn)品本身的監(jiān)管模式，歐盟、澳大利亞、新西蘭等是基于過程的監(jiān)管模式。前者主要是針對最終產(chǎn)品的安全性，后者則側(cè)重于創(chuàng)造新作物品種的技術(shù)。我國目前尚未制定明確的監(jiān)管政策，對基因編輯的監(jiān)管正在逐步推進(jìn)中。

4.1 美國：基因編輯產(chǎn)品本身的監(jiān)管政策

美國采取基于產(chǎn)品監(jiān)管的法規(guī)，2016年4月，美國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部(USDA)宣布采用CRISPR/Cas9編輯的植物，如抗褐變蘑菇和糯玉米等，從涵蓋GMOs11的法規(guī)中豁免，將不再受其監(jiān)管。2017年初，美國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出一項調(diào)控基因編輯作物的規(guī)定：含有任何大小的缺失(SDN-1)或單堿基對替換(SDN-2)的產(chǎn)品將免于監(jiān)管，面向市場銷售。這種對基因工程植物態(tài)度的變化使美國育種產(chǎn)業(yè)的格局發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，美國已經(jīng)建立了比較完善的基因編輯和調(diào)控體系，可以及時適應(yīng)和調(diào)整，以適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的需要。因此，美國的基因編輯技術(shù)研究在全球是最為積極的。

4.2 歐盟：基因編輯過程的監(jiān)管政策

歐盟制定了一項基于過程的監(jiān)管法規(guī)。2018年7月25日歐洲法院作出裁決：任何使用CRISPR技術(shù)改造的行為都將導(dǎo)致產(chǎn)品被歸類為轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。這一裁決是可預(yù)期的，因為在使用CRISPR時始終需要核酸sgRNA分子。對此，很多支持基因編輯的科學(xué)家們都難以接受，各成員國的學(xué)術(shù)界和業(yè)內(nèi)人士都呼吁對基因編輯產(chǎn)品持接受態(tài)度，減少對其及其產(chǎn)業(yè)化推廣的限制。在法國，基因編輯作物不受轉(zhuǎn)基因政策監(jiān)管。歐盟規(guī)定，有長期的安全記錄且使用頻率高的作物，可無須遵守指令所規(guī)定的義務(wù)，其成員國可與歐盟法規(guī)一致。這彰顯出歐盟既包容又謹(jǐn)慎的監(jiān)管態(tài)度。

4.3 英國：放寬對基因編輯產(chǎn)品的監(jiān)管

英國在脫歐之后，放松了對基因編輯產(chǎn)品的監(jiān)控。2021年9月29日，英國環(huán)境大臣尤斯蒂斯發(fā)布了一項基因編輯技術(shù)應(yīng)用計劃。該計劃擬修改基因編輯技術(shù)相關(guān)法律法規(guī)：(1)對于通過自然變異或常規(guī)育種也能夠獲得的基因變化植物，簡化審批，推動創(chuàng)新研發(fā)，該決策與澳大利亞相似；(2)修改轉(zhuǎn)基因生物監(jiān)管范疇，當(dāng)基因編輯技術(shù)或其他遺傳技術(shù)創(chuàng)制的生物其基因變化通過常規(guī)育種技術(shù)也能夠獲得時，可免除監(jiān)管；(3)轉(zhuǎn)基因監(jiān)管法規(guī)將繼續(xù)適用于含有外源DNA的基因編輯生物。英國環(huán)境、食品和農(nóng)村事務(wù)部、英國食品標(biāo)準(zhǔn)局、英國植物育種者協(xié)會和英國羅斯林研究所的科學(xué)家對此計劃表示支持，認(rèn)為基因編輯技術(shù)在保障糧食生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對氣候變化等方面具有重要作用。

4.4 日本：大力推進(jìn)基因編輯產(chǎn)品商業(yè)化

日本由農(nóng)林水產(chǎn)省(MAFF)、日本厚生勞動省(MHLW)、環(huán)境省(MOE)和文部科學(xué)省(MEXT)共同管理。2018年8月，日本MOE委員會建議，SDN-1而產(chǎn)生的基因編輯作物不應(yīng)再納入轉(zhuǎn)基因監(jiān)管范圍。2019年3月，日本咨詢小組建議監(jiān)管基因編輯作物按監(jiān)管常規(guī)作物的框架進(jìn)行，經(jīng)嚴(yán)格安全性審查，只需向政府登記即可上市，可直接出售給消費者。2020年初，日本監(jiān)管機構(gòu)制定了基因編輯食品和農(nóng)產(chǎn)品的處理指南，MHLW和MAFF召集技術(shù)專家委員會在整個指南制定過程中提供指導(dǎo)，開展公眾意見征詢并發(fā)布各個部門的基因編輯食品和農(nóng)產(chǎn)品指南。在將產(chǎn)品納入基因編輯產(chǎn)品范圍前，需要進(jìn)行一個預(yù)咨詢程序，確認(rèn)該產(chǎn)品是否屬于基因編輯產(chǎn)品，若屬于基因編輯產(chǎn)品則對該產(chǎn)品豁免轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品監(jiān)管程序。

4.5 中國：迫切需要科學(xué)明確的基因編輯監(jiān)管政策

我國尚未出臺明確的基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管規(guī)定，基因編輯產(chǎn)品作物尚未商業(yè)化。與此同時，我國政府為基因編輯研究提供了大量的財政支持。對基因編輯作物使用和商業(yè)化的監(jiān)管障礙可能會延緩農(nóng)業(yè)發(fā)展，甚至阻礙基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的進(jìn)展和應(yīng)用。自2016年以來，我國科學(xué)家已多次在不同場合提出基于科學(xué)的基因編輯作物監(jiān)管政策建議，對這類發(fā)展極為迅速的高新技術(shù)，希望政府主管部門高度重視，及時制定相應(yīng)的監(jiān)管法規(guī)。

5 CRISPR/Cas9技術(shù)的未來展望

基因編輯技術(shù)是生命科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的變革性技術(shù)。2012年，Doudna和Charpentier兩位教授在《科學(xué)》發(fā)表論文“The Cas9 endonuclease can be programmed with guide RNA engineered as a single transcript to cleave any double-stranded DNA sequence”，這標(biāo)志著對CRISPR/cas9系統(tǒng)的最后技術(shù)突破，為CRISPR作為基因編輯工具在各個領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

中國在植物基因編輯方面的研究在國際上屬于領(lǐng)先地位，農(nóng)業(yè)基因編輯研究論文數(shù)量全球第一。自2013年CRISPR技術(shù)出現(xiàn)以后，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯研究論文數(shù)量超過美國，排名全球第一；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯專利數(shù)量方面也具有明顯的優(yōu)勢，在2017年6月之前，中國(259項)是第二名美國(61項)的4倍之多，是第三名歐洲(18項)的16倍之多。更重要的是，2017年6月以后我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因編輯相關(guān)專利數(shù)量保持持續(xù)增長，而歐美則停滯不前，中國在農(nóng)業(yè)基因編輯知識產(chǎn)權(quán)與競爭力方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位。當(dāng)前，越來越多的專家學(xué)者看好未來基因編輯作物市場。2021年8月18日，發(fā)表了來自Gordon等題為“Responsible governance of gene editing in agriculture and the environment”的評論文章，該文章認(rèn)為基因編輯管理在農(nóng)業(yè)和環(huán)境中應(yīng)該遵循6個原則，即1—規(guī)避風(fēng)險和提供切實的社會效益；2—穩(wěn)健、包容的社會參與；3—有效、科學(xué)的政府監(jiān)管；4—補充和補充監(jiān)管監(jiān)督的自愿最佳實踐；5—環(huán)境中基因編輯產(chǎn)品的透明度；6—包容性地獲取技術(shù)和資源。6個原則旨在為基因編輯技術(shù)的負(fù)責(zé)任創(chuàng)新和治理提供一個高級框架，Gordon等借鑒了部署轉(zhuǎn)基因生物的經(jīng)驗教訓(xùn)，旨在開發(fā)一種更值得信賴、更具包容性和量身定制的基因編輯監(jiān)管方法。當(dāng)前，雖然各國在基于過程和基于產(chǎn)品本身兩種不同的管理模式下監(jiān)管態(tài)度不盡一致，但如果基因編輯作物只是單堿基或少量堿基突變，且沒有外源基因插入，則接受度較高，可以看出，是否有外源基因的插入，可能是轉(zhuǎn)變對基因編輯作物監(jiān)管態(tài)度的關(guān)鍵點，少量堿基突變且無外源基因插入的基因編輯作物更容易被公眾接受，或不必受法律監(jiān)管。曹曉風(fēng)、李家洋等院士呼吁我國基因編輯育種亟需政策支持，希望在科學(xué)安全的監(jiān)管之下，更多的基因編輯作物能夠走向商業(yè)化。目前，我國有待商業(yè)化應(yīng)用的基因編輯農(nóng)作物有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的抗除草劑玉米，中國科學(xué)院的抗倒伏水稻，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的抗白粉病、抗除草劑小麥，使糖分改變的草莓等?；蚓庉嫷膹V泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐中產(chǎn)生了革命性的影響，因此，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，一旦出臺明確、科學(xué)、可操作的植物基因編輯的相關(guān)法規(guī)與政策措施，我國便能充分發(fā)揮植物基因編輯產(chǎn)品研發(fā)的領(lǐng)先優(yōu)勢，以促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展完善及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將研發(fā)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，為保障國家糧食安全和生態(tài)安全提供強有力的技術(shù)支撐，造福人類社會。