科學家的“編輯工作”
《 》（ 2015年11月23日 06 版）
CRISPR、基因編輯等專業術語，或許我們也就聽過，但轉基因、霧霾這些幾年前對公眾來說同樣陌生的詞匯，在今天卻被熱議。原因無他，只因科技與我們每個人的生活息息相關。
基因編輯技術目前方興未艾，但作為前沿技術儲備是現代科學快速發展的必需品，我國科學家正在為搶占技術的制高點做著不懈努力。——編者
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1.構建定向制導系統 2.將制導系統導入細胞 3.制導系統定向尋找靶位基因并剪切 4.基因自動修復 |
“精確制導”育種實現“指哪兒打哪兒” 本報記者李國龍 幾天前，英國科學家通過基因編輯技術治療一位患白血病的女嬰消息被人們廣泛關注，而這一技術也正在被應用到植物育種上，特別是CRISPR/Cas9基因組定向編輯技術可以使科學家更加精確地編輯基因組。“我們正在做調控光周期的試驗，目標是讓玉米生長期縮短。”中玉金標記（北京）生物技術股份有限公司分子標記技術部研發總監景潤春告訴記者。 正是因為CRISPR/Cas9這一技術可以更加精確、更加定向的對基因進行修飾，它已經被廣泛應用到人類、動物、植物的多個物種中，它被《科學》雜志評為2013年十大科學突破之一。 “已知作物容易感染某一病害，這說明該作物有容易遭受病害侵染的位點，通過研究知道了這個位點對應的基因序列，CRISPR/Cas9就可以像精準制導的導彈一樣，直接把基因序列中的關鍵部分‘炸掉’，再通過一系列過程，就可以得到不容易侵染這種病害的作物。”國家“千人計劃”特聘專家、中玉金標記CEO盧洪形象地比喻：“‘炸掉’的過程叫做‘敲除’，也是‘突變’的一種。” 對于精確度，不同的研究給出了不同的答案，有研究對水稻的4個相關基因進行定點突變，突變效率為4.0%～9.4%；有研究對試驗模式植物擬南芥和水稻的多個基因進行定點突變，可以獲得26%～80%的高突變效率。 “這一精確度已經很高了，CRISPR/Cas9技術是定向導致基因突變，而通過航天育種技術誘變的種子，預見不到會發生什么變化。”盧洪說，在航天育種中，太空中的宇宙射線、微重力、高真空、弱地磁場等因素就像是“狂轟亂炸”，導致種子的變化也是十分隨機的，有一定程度的不可預見性。航天育種中不是每粒種子都會發生基因突變，其突變率一般為百分之幾甚至千分之幾，而有益的基因突變僅是千分之三左右。 敲除僅是CRISPR/Cas9技術的作用之一，還可以進行敲入、多位點同時突變和小片段刪除等。CRISPR/Cas9也被稱為第三代基因組定點編輯技術。景潤春說：“與鋅指核酸酶和轉錄激活因子效應物核酸酶相比，它的設計更簡單、成本更低、特異性更強、作用效率更高。更重要的是，CRISPR/Cas9可以同時對基因組中多個靶位點進行操作，使直接對由多基因組成的基因表達調控途徑進行敲除成為可能。” 用CRISPR/Cas 9系統定向進行基因位點敲除示意圖 在基因工程中，這項技術聚焦的點正是提高作用效率。通常情況下，基因工程中從發現一個基因的功能，到最后成為一個品種要花費很長的時間，數年、也可能是數十年，要有各個學科的一大批科學家協作完成。 通過全基因組測序可以知道基因的位點排列，這就像定位長城上的烽火臺，要精確知道每個烽火臺的經緯度。從人類全基因組測序、到動物、再到植物，許多全基因組測序工作已經完成。 拿著這個“經緯度”與已知功能的基因庫做比較，如果庫中有，就可以知道這是已知功能的基因，如果沒有，這很可能就是新發現的一個未知功能基因。大多數基因的功能還是未知的，需要進行基因功能挖掘，通過系統的工作去發現它與哪個或哪些功能有關系，是與高產有關，還是與株高有關，還是與抗病有關，事實上，一個基因可能會與多個功能有關，也可能多個基因共同控制一個功能。到目前為止，對作物基因與功能的對應關系，人類所知只是冰山一角，這個“黑匣子”內部大部分還處于黑暗之中。 “基因組測序、基因功能挖掘、基因克隆等，這些工作既可以應用CRISPR/Cas9技術，也是CRISPR/Cas9應用到育種中的前置工作。CRISPR/Cas9在育種中所處的環節也有許多其他技術，但它的革命性就在于大大提高了打靶的準確率。”盧洪多次給記者解釋這項技術的應用價值，“無論是突變育種中所用的化學射線、航天育種中的環境誘變，還是發展到人工把基因中的一些位點進行敲除、置換，并不能做到精確，隨機性很大，可能有打上靶的，但絕大部分就都脫靶了。” 即使把目的基因導入受體細胞后，也需要對帶有重組體的細胞進行擴增，以獲得大量的細胞，還需要應用相應的試劑進行篩選，篩選出具有重組DNA的細胞；即使得到含有重組DNA的細胞，還要進行大量增殖，得到相應表達的功能蛋白，讓作物得到預想的特性；即使得到了預想的特性，還要經過常規育種中的雜交、回交等多年試驗，獲得可以穩定遺傳的優良性狀。單基因遺傳的較容易做到，多基因遺傳的就十分復雜了。 在現有的轉基因育種中，即使是育成了品種，能夠拿到相應的轉基因安全證書，也不能夠在市場上推廣和應用，我國對轉基因品種的管理有嚴格的檢測和控制程序，普通的非轉基因品種也要做轉基因檢測。而對于多年后，應用過CRISPR/Cas9技術產生的品種是否要接受國家已有法律政策的監管。“基因組進行植物育種可以不引入外源基因，這也導致定義轉基因生物的不明確性。”盧洪說，“國家在這方面仍需要制定相關的政策和實施細則，但作為一項新興技術，國內國際都站在差不多的起點上，作為技術儲備，需要更大投入。” |
為時代進步積蓄能量
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王澎 納米技術、核技術、航天技術、基因技術，這些高大上的技術似乎與我們的生活相距甚遠。然而，殊不知日常生活中使用的很多金屬、陶瓷、半導體或符合聚合材料都與納米技術的研究息息相關；每天所用的電器設備有一部分有核能發電供應電能；火星探測和登月計劃看似離我們很遠，但這卻是未來解決地球人口爆炸、環境壓力的一個重要方向；同樣的，基因技術也是人類掌握遺傳秘密，戰勝疾病鑰匙。這些高精尖技術的研究無一不耗費著巨大的人力物力，雖然很多研究難以在短時間內獲得回報，但仍然有一群執著的研究人員，將自己的青春與熱情奉獻其中，他們就是技術爆炸的引線，他們在為時代進步積蓄能量。 工業革命以來，技術發展呈現爆炸趨勢，在生物技術領域更是如此。傳統農作物育種方式培育一個新品種少則七八年，多則十幾年，眾多育種家窮盡一生去 |
培育一個優秀的品種。“搞育種的人都長壽”，看似是一句笑談，卻反映出育種家們的巨大付出。 尖端技術的研發是必要的不能停滯的，而其應用也是需要一個過程的，這個過程也許很漫長，也許會出現問題遇到瓶頸，但無疑對社會有巨大價值的。我們要為扎根在實驗室的研究人員喝彩，是他們的不懈努力讓普通人感受到了科技的力量和時代的步伐。 |
基因編輯技術正在到來
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這不是CRISPR/Cas9這項明星技術第一次得到人們的關注。在此之前，有著“豪華版”諾獎之稱的“2015年度生命科學突破獎”頒發給了發現基因組編輯工具“CRISPR/Cas9”的兩位美女科學家。二人更是獲得了2015年度化學領域的引文桂冠獎——素有諾獎“風向標”之稱，曾被認為是今年諾貝爾化學獎的最有力競爭者。 那CRISPR/Cas9到底是一項什么技術，為何能夠獲得如此這般青睞，又何以在短短兩三年時間內，發展成為生物學領域最炙手可熱的研究工具之一，并有近700篇相關論文發表？它將來又會如何影響到我們的生活？ CRISPR/Cas9是繼“鋅指核酸內切酶”、“類轉錄激活因子效應物核酸酶”之后出現的第三代“基因組定點編輯技術”。與前兩代技術相比，其成本低、制作簡便、快捷高效的優點，讓它迅速風靡于世界各地的實驗室，成 |
為科研、醫療等領域的有效工具。 從此，形成了開發利用CRISPR的研究熱潮，如今CRIS-PR研究已經風靡科學界。隨著CRISPR/Cas9技術在人類與動物細胞系中建立并應用，經過改造的CRISPR/Cas9系統也迅速地被應用到擬南芥、煙草、高粱、水稻、小麥、玉米等不同植物基因組的定向編輯研究中，并且獲得較高的誘導突變率和可穩定遺傳的基因編輯植株。 王文嫣王宙潔 |
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CRISPR/Cas系統的靈感來源 CRISPR/Cas9技術的靈感來源于細菌的一種獲得性免疫系統。與哺乳動物的二次免疫應答類似，細菌在抵抗病毒或外源質粒入侵時，會產生相應的“記憶”，來抵抗該種外源遺傳物質的再次入侵，而這種獲得性免疫正是由細菌的CRIS-PR/Cas系統實現的。在細菌的基因組上，存在著串聯間隔排列的“重復序列”，這些重復序列相對保守，我們稱之為CRISPR序列。 “打靶”效率將越來越高 在CRISPR/Cas9技術中，我們把即將被編輯的細胞基因組DNA看作病毒或外源DNA。基因編輯的實現只需要兩個工具——向導RNA和Cas9蛋白。 |
保守的PAM序列，而且向導RNA要與PAM上游的序列堿基互補配對。 對于DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存在著DNA損傷修復的應答機制，會將斷裂上下游兩端的序列連接起來，從而實現了細胞中目標基因的敲除。 而DNA片斷的插入或定點突變的實現，只需在此基礎上為細胞提供一個修復的模板質粒，這樣細胞就會按照提供的模板在修復過程中引入片段插入或定點突變，對受精卵細胞進行基因編輯，并將其導入代孕母體中，可以實現基因編輯動物模型的構建。當然，CRISPR/Cas9技術的成功率并非百分之百，隨著科研人員不斷對Cas9蛋白的優化改造，對靶基因識別特異性的增強，CRISPR/Cas9技術的“打靶”效率將不斷提高。 |
