关于基因编辑，你可能不知道的
文丨王威
除了在受精卵中使用线粒体置换技术来治疗线粒体遗传疾病，科学家们也在不断探索“修正”核基因组遗传疾病的方法，而基因编辑技术的出现无疑为科研界带来了新的希望。基因编辑是近年来发展起来的新兴技术，能够在基因组水平上对DNA序列进行精确修饰，自出现以来，科学家们就一直致力于将该技术应用于人类遗传病的研究与治疗。基因编辑技术主要包括：
1.锌指核酸酶（Zinc-finger nuclease, ZFN）技术，它是一类人工合成的限制性内切酶，由锌指DNA结合域（zinc finger DNA-binding domain）与限制性内切酶的DNA切割域（DNA cleavage domain）融合而成。研究者可以通过加工改造ZFN的锌指DNA结合域，靶向定位于不同的DNA序列，从而使得ZFN可以结合复杂基因组中的目的序列，并由DNA切割域进行特异性切割。
2.TALEN（transcription activator-like，TAL，effector nucleases）典型的 TALEN由一个包含核定位信号（Nuclear localization signal, NLS）的N端结构域、一个包含可识别特定DNA序列的典型串联TALE重复序列的中央结构域，以及一个具有FokI核酸内切酶功能的C端结构域组成。人工TALEN元件识别的DNA序列长度则一般为16-20bp，两端的靶序列间隔约14-20bp。每一个独立的TALE重复序列元件包含33到35个氨基酸残基，这些TALE重复序列元件能够通过两个高变异度的残基（RVD）来识别一个单一的碱基对。通过靶位点的DNA序列可以反推能特异性识别这一序列的二联氨基酸序列，从而构建TAL靶点识别模块来引导DNA特定位点的剪切。
3.CRISPR (ClusteredRegularly Interspaced Short Palindromic Repeats) /Cas (CRISPR-associated) 是最近几年出现的一种由RNA指导Cas核酸酶对靶向基因进行特定DNA修饰的技术。它是细菌和古细菌为应对病毒和质粒不断攻击而演化来的获得性免疫防御机制。其中II型CRISPR/Cas免疫系统依赖Cas9内切酶家族靶向和剪切外源DNA。在CRISPR／Cas9进行基因组编辑过程中，Cas9内切酶在向导RNA（gRNA，一般20bp）的指引下到达DNA靶向位置，识别保守的间隔相邻序列（proto-spacer adjacent motifs，PAM序列），进而对靶向DNA分子进行定点切割。
三种基因编辑技术的原理各有特点，如下表所列：
2012年，Jennifer Doudna 和Emmanuelle Charpentier发表文章揭示了CRISPR/Cas这一细菌免疫系统可以被用作针对特定DNA位点的基因编辑工具。随后，张锋实验室在人类细胞中证实了CRISPR/Cas9系统对基因组DNA的定点编辑能力。相较于ZFN和TALEN，新兴的CRISPR/Cas9技术操作简单，其用于定位的gRNA可以直接合成，对剪切位点的选择和设计也更为灵活。并且可方便地对多个物种的基因组进行编辑。这些优点使得CRISPR/Cas系统成为基因编辑在基础研究和临床应用的主流技术。
科学家们除了利用CRISPR/Cas9技术构建带有疾病相关突变的细胞及动物模型，以用于致病机理研究外，很多的实验室也将目光投向了利用基因编辑工具来“矫正”错误的基因序列，从而达到对于核基因组遗传病从“读”到“改”的突破。科学家们利用细胞系和动物模型先后证实了CRISPR/Cas9技术具有治疗包括从血友病，神经退行性疾病到癌症、再到艾滋病等多种疾病的潜力，而是否能在胚胎中实现这一技术的应用也一直是科学家们关注的热点。
2015年4月，中山大学的黄军就副教授发表了其科研小组利用CRISPR/Cas9系统对人类胚胎基因组进行改造的研究结果，引发了世界范围内的热烈讨论。黄军就用于实验的人类受精卵含有一个卵细胞和两个精子，这种三原核的受精卵是无法正常存活的，因此也无法进行正常的胚胎发育成为婴儿。黄军就团队利用CRISPR/Cas9系统来进行基因改造的目标是HBB基因（human β-globin gene），这一基因编码血红蛋白beta亚基，其基因突变会导致β地中海贫血症，一种在中国两广地带高发的遗传疾病。
在此次研究中，他们共对86个三原核受精卵进行了基因编辑实验操作，而基因编辑剪切仅仅在不到三分之一的受精卵中被观察到，并且发生剪切的受精卵中只有更小一部分发生了重组修饰，这些结果说明CRISPR/Cas9技术在胚胎上应用的效率非常低，还无法真正用于在胚胎水平上有效治疗遗传疾病。同时，这次研究也显示，CRISPR/Cas9技术在受精卵上出现的脱靶现象非常严重，这些非靶向突变的出现也说明这一技术存在值得注意的安全问题。尽管由于缺乏在正常二原核胚胎上的脱靶频率的实验数据，但如果这种脱靶现象确实是在人类胚胎编辑中普遍存在的，那非常可能会产生难以预测的严重有害结果。
（本文节选自《互联网+基因空间》）
