基因編輯：生命科學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)發(fā)展方向

□文/ 錢(qián) 野 杭州市科技信息研究院

基因編輯，又稱(chēng)基因組編輯或基因組工程，是一種新興的、比較精確的能對(duì)生物體基因組特定目標(biāo)基因進(jìn)行修飾的基因工程技術(shù)。2020 年諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校和德國(guó)馬普感染生物學(xué)研究所的兩位科學(xué)家，以表彰她們發(fā)明了“CRISPR-Cas9”基因編輯工具，基因編輯領(lǐng)域再次成為研究的熱點(diǎn)。

基因編輯技術(shù)影響力輻射廣，技術(shù)創(chuàng)新高度活躍，技術(shù)的不斷完善促進(jìn)了農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展。但該領(lǐng)域在科學(xué)倫理方面存在較大爭(zhēng)議，相關(guān)產(chǎn)業(yè)在爭(zhēng)議中逐步發(fā)展。

基因編輯主流技術(shù)方法

同源重組（Homologous Recombination）

同源重組是最早用來(lái)編輯細(xì)胞基因組的技術(shù)方法。同源重組是在DNA 的兩條相似（同源）鏈之間遺傳信息的交換（重組）。生產(chǎn)和分離帶有與待編輯基因組部分相似的基因組序列的DNA 片段，將這些片段注射到單核細(xì)胞中，或者用特殊化學(xué)物質(zhì)使細(xì)胞吸收。這些片段一旦進(jìn)入細(xì)胞，便可與細(xì)胞的DNA 重組，以取代基因組的目標(biāo)部分。這種方法的缺點(diǎn)是效率極低，且出錯(cuò)率高。

核酸酶（Nucleases）

基因編輯的關(guān)鍵是在基因組內(nèi)特定位點(diǎn)創(chuàng)建DSB(雙鏈DNA 斷裂)。常用的限制酶在切割DNA 方面是有效的，但它們通常在多個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和切割，特異性較差。為了克服這一問(wèn)題并創(chuàng)建特定位點(diǎn)的DSB，人們對(duì)四種不同類(lèi)型的核酸酶進(jìn)行了生物工程改造。它們分別是巨型核酸酶（Meganuclease）、鋅指核酸酶（ZFN）、轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN）和成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)（CRISPR -Cas）。其中，前三者被Nature Methods評(píng)為2011年度方法。CRISPR-Cas系統(tǒng)被科學(xué)界評(píng)為2015年度最佳突破。

巨型核酸酶（Meganuclease）是一種脫氧核糖核酸內(nèi)切酶，其特征在于它的識(shí)別位點(diǎn)較大（12 至40 個(gè)堿基對(duì)的雙鏈DNA 序列），該位點(diǎn)通常在任何給定的基因組中僅有一個(gè)。因此，巨型核酸酶被認(rèn)為是最特異的天然存在的核酸酶。

鋅指核酸酶（ZFN）是一個(gè)經(jīng)過(guò)人工修飾的核酸酶，它通過(guò)將一個(gè)鋅指DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域與核酸酶的一個(gè)DNA切割結(jié)構(gòu)域融合而產(chǎn)生。通過(guò)設(shè)計(jì)鋅指結(jié)構(gòu)域就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目的基因的特定DNA 序列的靶向切割，這也使得鋅指核酸酶能夠定位于復(fù)雜基因組內(nèi)的獨(dú)特的靶向序列。通過(guò)利用內(nèi)源DNA 修復(fù)機(jī)制，鋅指核酸酶可用于精確修飾高等生物的基因組。

轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN）是經(jīng)過(guò)基因工程改造后的可以切割特定DNA 序列的限制酶。TALEN是通過(guò)將一個(gè)TAL 效應(yīng)子DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域與核酸酶的一個(gè)DNA 切割結(jié)構(gòu)域融合而獲得的。TALEN 可以被設(shè)計(jì)成與幾乎任何所需的DNA 序列結(jié)合，可以在特定位置進(jìn)行切割。

成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)（CRISPR -Cas）是原核生物免疫系統(tǒng)，賦予原核生物對(duì)如存在于質(zhì)粒和噬菌體中的外來(lái)遺傳物質(zhì)的抗性，是一種獲得性免疫系統(tǒng)。攜帶間隔序列的RNA 有助于Cas（CRISPR 相關(guān)）蛋白識(shí)別并切割外源致病DNA。其他RNA指導(dǎo)的Cas蛋白切割外源RNA。CRISPR-Cas系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的基因編輯工具。

基因編輯技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)

在自然條件下，某些植株發(fā)生基因突變可能會(huì)生長(zhǎng)得更強(qiáng)壯、果實(shí)更加碩大，選擇這些植株進(jìn)行擴(kuò)大培育也就是農(nóng)作物培育選種的過(guò)程。

為了縮短自然篩選的過(guò)程，最初生物學(xué)家用化學(xué)物質(zhì)或者輻射誘導(dǎo)突變，但是誘導(dǎo)突變的過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，并且準(zhǔn)確度不高?；蚬こ碳夹g(shù)的出現(xiàn)加速了農(nóng)作物的選種過(guò)程，主要通過(guò)引入外源性基因來(lái)控制植物體性狀的表達(dá)從而獲得“轉(zhuǎn)基因”植物，但是轉(zhuǎn)基因食品的食用安全性一直是民眾爭(zhēng)議的話(huà)題。

CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)又讓農(nóng)作物的培育方式發(fā)生了改變，在無(wú)需引入外源性基因的條件下，直接定向修改植株本體基因，成本低、效率高，為培育性狀優(yōu)良的農(nóng)作物提供了新的選擇。2017 年3 月，美國(guó)農(nóng)業(yè)部已經(jīng)批準(zhǔn)經(jīng)過(guò)基因編輯技術(shù)誘導(dǎo)而產(chǎn)生突變的農(nóng)作物不需要額外的監(jiān)督管理，他們認(rèn)為這些農(nóng)作物發(fā)生的改變和傳統(tǒng)的基因突變過(guò)程相似。同樣，在畜牧業(yè)中，基因編輯技術(shù)可以生產(chǎn)美味可口、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、質(zhì)量更好的肉蛋奶產(chǎn)品，但是其食用安全性方面目前并沒(méi)有權(quán)威、全面的評(píng)價(jià)。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

利用基因編輯技術(shù)進(jìn)行基因治療的研究在近幾年進(jìn)展飛速，通過(guò)基因編輯可以從根本上糾正受體有缺陷的基因，從而治療某些疾病。

在2019 年，著名學(xué)者張鋒的基因組編輯公司(Editas Medicine)采用CRISPR-Cas9 基因療法，巧妙地去除由CEP290 基因中的IVS26 突變產(chǎn)生的異常剪接供體，使CEP290 基因正常表達(dá)，最終成功恢復(fù)了Leber 先天性黑蒙癥10型的視力。

在癌癥的治療上，可通過(guò)編輯免疫細(xì)胞，增強(qiáng)免疫細(xì)胞的功能，使其能夠識(shí)別并消滅癌細(xì)胞。Strimvelis、Kymriah 和Yescarta 這3 個(gè)藥物都是通過(guò)這種方法分別將基因藥物整合到患者造血干細(xì)胞和T 細(xì)胞再自體回輸來(lái)進(jìn)行癌癥治療的。近些年來(lái)基因編輯技術(shù)已經(jīng)對(duì)白血病、淋巴瘤、肝癌、肺癌的治療等展現(xiàn)出了初步的研究結(jié)果，但是其應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)性也是不能被忽視的。在一項(xiàng)針對(duì)嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺乏癥(SCID)的基因治療臨床試驗(yàn)中，兩名受試者在注射藥物后患上了白血病。因此，在臨床治療中基因編輯技術(shù)還需要不斷地探索和完善。另外，值得注意的是基因編輯技術(shù)在人類(lèi)細(xì)胞水平和人類(lèi)胚胎水平的探索和應(yīng)用也要區(qū)別對(duì)待?！盎蚓庉媼雰骸笔录獾搅丝茖W(xué)家們的一致批判與反對(duì)，在基因編輯技術(shù)尚不夠成熟的基礎(chǔ)上進(jìn)行人類(lèi)胚胎細(xì)胞的編輯，這是極其不負(fù)責(zé)任的，在倫理學(xué)上也是不允許的。

基因編輯技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

發(fā)機(jī)構(gòu)，提供專(zhuān)利技術(shù)授權(quán)；中游是產(chǎn)品和服務(wù)供應(yīng)商，提供試劑開(kāi)發(fā)及核酸序列設(shè)計(jì)合成，以及應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)化，是基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵；下游主要終端用戶(hù)包括生物技術(shù)和制藥公司、科研機(jī)構(gòu)以及合同研發(fā)機(jī)構(gòu)。三者之間通過(guò)合作、投資等方式緊密結(jié)合開(kāi)展基因編輯研究。

全球基因編輯技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈逐步成形

隨著基因編輯技術(shù)本身和應(yīng)用研究的不斷推進(jìn)，其產(chǎn)業(yè)格局正在逐漸形成。從專(zhuān)利的申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來(lái)看，既有科研機(jī)構(gòu)，也有企業(yè)，表明基因編輯技術(shù)已經(jīng)從基礎(chǔ)研究向商業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化并迅速推廣。

目前，基因編輯技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用主要包括科研、制藥和育種等幾大領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)鏈上游主要是高校和技術(shù)開(kāi)

基因編輯技術(shù)育種應(yīng)用產(chǎn)業(yè)初步顯現(xiàn)

基因編輯技術(shù)育種涉及的倫理問(wèn)題相對(duì)較少，因此，該技術(shù)在育種領(lǐng)域的應(yīng)用潛力率先顯現(xiàn)。基因編輯育種技術(shù)的應(yīng)用不僅減小了轉(zhuǎn)基因品種的風(fēng)險(xiǎn)，也降低了育種技術(shù)準(zhǔn)入門(mén)檻，使一些小公司、小企業(yè)也有機(jī)會(huì)進(jìn)入該領(lǐng)域。2018 年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)利用CRISPR 技術(shù)獲得的作物進(jìn)入市場(chǎng)，為該領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。農(nóng)業(yè)生物技術(shù)巨頭已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入基因編輯育種領(lǐng)域開(kāi)展研發(fā)。美國(guó)孟山都公司早在2016年即獲得CRISPR核心技術(shù)專(zhuān)利在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的首個(gè)全球許可；美國(guó)杜邦與陶氏的育種業(yè)務(wù)已合并成立陶氏杜邦公司，在基因編輯育種市場(chǎng)中占據(jù)重要地位。

我國(guó)在基因編輯育種技術(shù)的應(yīng)用研究中雖然具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)產(chǎn)業(yè)并未形成，相關(guān)公司業(yè)務(wù)主要集中于技術(shù)服務(wù)。杭州百格生物是國(guó)內(nèi)第一家專(zhuān)注于基因組編輯技術(shù)的生物技術(shù)公司。基于CRISPR-Cas9技術(shù)，百格生物擁有獨(dú)有的全基因組單/多位點(diǎn)分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)、高通量的gRNA 載體組裝技術(shù)、高效的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)和基于云端的測(cè)序結(jié)果自動(dòng)化分析體系。該公司已為全球超過(guò)100多個(gè)研究所、課題組提供基因組編輯服務(wù)，對(duì)近2000個(gè)基因（靶點(diǎn)）進(jìn)行成功編輯，與多家國(guó)內(nèi)一流的研究所建立深度合作關(guān)系。目前，百格正與國(guó)內(nèi)多個(gè)農(nóng)科院和科學(xué)院合作，提供水稻、大豆、玉米等重要作物品種的基因編輯服務(wù)，對(duì)幾種重要作物品種進(jìn)行改良，以期獲得全新的品種。

基因編輯技術(shù)醫(yī)療應(yīng)用成為行業(yè)熱點(diǎn)

基于基因編輯技術(shù)的疾病治療方案開(kāi)發(fā)已吸引了產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，包括拜耳、諾華、輝瑞等多家大型跨國(guó)公司已布局相關(guān)業(yè)務(wù)，而專(zhuān)注CRISPR等基因編輯技術(shù)的初創(chuàng)公司也陸續(xù)上市，顯示這一領(lǐng)域的巨大產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景。全球主要基因編輯技術(shù)公司的總部均設(shè)在美國(guó)，表明了美國(guó)在該領(lǐng)域的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力。從技術(shù)類(lèi)型上看，各公司所采用的技術(shù)也幾乎涵蓋了三代基因編輯技術(shù)，但仍以CRISPR為主。

我國(guó)醫(yī)療行業(yè)涉及基因編輯技術(shù)的企業(yè)有幾十家，大多處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游，以試劑盒開(kāi)發(fā)和技術(shù)支持為主，用戶(hù)主要為醫(yī)療機(jī)構(gòu)、企業(yè)、科研院所與高校等，顯示基因編輯技術(shù)本身在國(guó)內(nèi)的科研應(yīng)用較為成熟。有些公司已經(jīng)利用基因編輯技術(shù)，初步開(kāi)展疾病治療方案的開(kāi)發(fā)。北京博雅基因是中國(guó)首家基因編輯公司，目前已初步開(kāi)發(fā)針對(duì)癌癥、遺傳疾病及感染性疾病的新型療法；重慶高圣生物醫(yī)藥已與第三軍醫(yī)大學(xué)、重慶醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)合作，推動(dòng)利用CRISPR破壞乙肝病毒靶定表面抗原編碼區(qū)的靶向藥物的研發(fā)。

基因編輯技術(shù)的倫理風(fēng)險(xiǎn)管理

在人類(lèi)倫理和社會(huì)認(rèn)知度方面，人們對(duì)基因編輯技術(shù)依然存在許多憂(yōu)慮和爭(zhēng)論。

2015年12月舉辦的首屆人類(lèi)基因編輯國(guó)際峰會(huì)重點(diǎn)對(duì)技術(shù)安全、倫理風(fēng)險(xiǎn)及國(guó)家管理等問(wèn)題進(jìn)行了討論。

2018 年11 月27 日在香港舉辦的第二屆人類(lèi)基因組編輯國(guó)際峰會(huì)上，深圳科研人員作了“世界首例基因編輯嬰兒”的會(huì)議報(bào)告，這一事件在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注，造成了較大的負(fù)面影響，凸顯了我國(guó)加強(qiáng)基因編輯相關(guān)法規(guī)制定、監(jiān)管措施實(shí)施的必要性和緊迫性。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)基因編輯安全管理進(jìn)行研究的內(nèi)容主要包括：從法律規(guī)制的角度研究如何應(yīng)對(duì)基因編輯的風(fēng)險(xiǎn)治理、分析基因編輯臨床試驗(yàn)可能涉及的倫理風(fēng)險(xiǎn)、通過(guò)歐美國(guó)家的安全管理經(jīng)驗(yàn)研究國(guó)內(nèi)的基因編輯管理框架等。在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀下，做好技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)于基因編輯發(fā)展同樣具有重要作用。

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)揮其無(wú)可替代的價(jià)值?！?/p>