基因組編輯：改碼生命，人定勝天

　　 谷峰1，高彩霞2

　　1溫州醫科大學附屬眼視光醫院 眼視光學與視覺科學國家重點實驗室，浙江 溫州 325000

　　2中國科學院遺傳與發育生物學研究所 基因組編輯中心 植物細胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101

　　人類社會的發展是一個漫長的自然歷史過程，期間人類與自然界的不斷“摩擦與碰撞”激發了大量的“物質、能量、信息”交流。從“飲血茹毛”到“鉆木取火”，從“神農嘗百草”到植物培育和動物馴養到優質高產的品種選育，再到今天的分子定向育種，無一不彰顯著人類物質文明的卓越進步，而這恰恰與人類的健康生活密切相關。如今，動植物、微生物的定向選擇 (育種) 已經成為人類生產的重要組成部分，其中畜牧業的發展為人類提供高蛋白的優質肉類和乳類，農作物的品種選育為人類提供高質的植物蛋白和天然多糖 (淀粉)，微生物的定向育種優化了人類疫苗和抗生素等藥物的生產方式。

　　追根究底，定向育種的本質是個體基因組變化的結果。傳統的遺傳育種是一個耗時、耗力且耗財的過程，然而新型基因組編輯工具的研發為遺傳育種的定向選擇提供了高效的方法。從編輯動物、植物、微生物基因組到人類基因組，新型的基因組編輯工具表現出極大的潛能，對人類基因組的編輯可用于人類遺傳性疾病的治療。以鐮刀型貧血病為例，1910年首次由美國醫生James B. Herrick發現，在過去的100多年里，人類一直試圖去治療該疾病卻未能成功。在疾病面前，人類一直很“弱小”。新型基因組編輯技術如“黑夜里航行中的燈塔”，它給疾病治療帶來了“光明”，目前該技術已在對應小鼠疾病模型的治療中取得了一定的成功。總之，以基因組編輯技術為代表的新一代生物技術正在引領一場生物醫學領域的革命，它正在“改變”我們的世界，正在“改變”我們的人類自身。為將基因組編輯領域的進展系統地呈現給讀者，《生物工程學報》推出一期主題為“基因組編輯”的專刊。該專刊闡述了基因組編輯領域的總體狀況和多個相關領域的進展，分別從動物、植物和技術方法學等方面進行了展示。

　　非人靈長類動物因遺傳背景與人類極其類似，在生命科學基礎研究和生物醫藥研究領域具有無以比擬的地位。近年來得益于基因組編輯工具的飛速發展，對非人靈長類動物的受精卵進行遺傳學操作就可以獲得基因隨機或者定點修飾。中國科學院神經科學研究所的孫強團隊對利用慢病毒載體或者靶向核酸酶獲得基因編輯猴的研究進展進行了綜述，并對其中幾個關鍵因素進行了總結，同時也展望了非人靈長類基因修飾模型構建技術的研究熱點及發展趨勢。該綜述將為科研工作者開展非人靈長類動物的基因組編輯提供思路，具有非常好的借鑒意義。

　　斑馬魚作為常用模式生物之一，在生物醫學研究中具有多個優點：在實驗室內易于飼養和繁殖、世代短、子代多、遺傳背景清楚，并且容易進行實驗操作。南通大學的劉東團隊以清晰明了的示意圖簡要總結了斑馬魚的遺傳學操作方法和基本原理，介紹了基因組編輯技術在該模式生物中的應用，同時作者也介紹了關于NgAgo以Knock-down形式在斑馬魚中的作用。

　　秀麗線蟲是遺傳學模式生物，具有生命周期短、基因組小、基因數目多、便于遺傳操作、通體透明易于顯微觀察等優勢，被廣泛用于發育生物學和神經生物學的研究。CRISPR/Cas9基因組編輯技術進一步加速了對其基因功能及各種生物學問題的研究。浙江大學的徐素宏團隊主要總結CRISPR/Cas9基因組編輯技術在秀麗線蟲中的發展和應用，另外也對基因組編輯技術在秀麗線蟲中的應用進行了展望。

　　CRISPR/Cas9基因組編輯技術作為生命科學領域的革命性工具，不僅用于動物建模，也為植物學基礎研究和農作物遺傳改良提供了高效、快速而又廉價的遺傳學操作工具。華中農業大學的謝卡斌團隊簡要介紹了CRISPR/Cas9相關技術的原理，近兩年出現可用于植物編輯的新技術，以及CRISPR/Cas9在農作物遺傳改良方面的潛力及其面臨的挑戰，為CRISPR/Cas9在農作物中的應用提供價值性參考。而中國水稻研究所的王克劍團隊著重介紹CRISPR/Cas9在植物中的研究進展，包括CRISPR/Cas9在植物中的應用與完善、基因組編輯范圍的研究、Cas9切口酶和失活酶的拓展、特異性單堿基突變編輯系統的研究、無外源DNA污染的植物基因組編輯技術的發展以及基因組編輯技術在作物育種上的應用等方面。同時也提出了還需解決的問題，并展望了基因組編輯系統在作物育種中的應用前景。中國農業科學院作物科學研究所的謝傳曉團隊則利用CRISPR/Cas系統進行基因替換，并進一步對其原理、實現方式與影響因素、應用及其前景等進行了總結與討論，為開展高等植物基因功能鑒定與遺傳改良研究提供借鑒。而對于世界上應用最廣、經濟價值最高和栽培面積最大的優質豆科飼料作物——紫花苜蓿，中國農業科學院生物技術研究所的林浩團隊通過CRISPR/Cas9技術對其介導的基因組編輯進行探討和展望，希望為苜蓿等豆科飼草作物的功能基因組學研究及遺傳改良提供新的研究思路。

　　水稻作為最重要的糧食作物在國民生活中扮演著重要角色，基因組編輯技術為水稻的新型遺傳育種提供了新的“動力”。中國農業科學院植物保護研究所的周煥斌團隊通過rBE系統，利用特異性的sgRNA獲得帶有點突變的突變體材料，同時利用該系統可實現多個位點突變，其產生的突變能穩定地遺傳給后代。這一研究結果表明rBE系統可以被用于定制基因功能獲得水稻新品種，對水稻基因的功能學研究也具有巨大推動作用。

　　基于CRISPR/Cas9的基因組編輯系統已被成功應用于多領域，為達到高效的靶向編輯，以計算機程序為輔助的向導RNA (Guide RNA) 設計已然成為CRISPR系統成功進行基因編輯的關鍵步驟之一。目前主要致力于利用計算模型來提高sgRNA的敲除效率并降低其脫靶。同濟大學的劉琦團隊對目前存在的sgRNA設計工具進行論述，在此說明可以通過建立高效的計算模型，對當前的基因編輯數據進行整合挖掘，以獲得無偏差的sgRNA設計規則，并預測影響sgRNA設計的關鍵特征。

　　盡管基因組編輯技術的成功研發為人類疾病的治療與預防提供極大的便利，但相關的脫靶問題仍是制約其作為臨床藥物治療人類疾病的重要瓶頸。溫州醫科大學的谷峰團隊分別對三大基因組編輯工具 (包括鋅指核酸酶、轉錄激活子樣效應因子核酸酶和規律成簇間隔短回文重復/Cas系統) 進行介紹，并且分別對其脫靶的現狀、解決優化的方案和檢測方法進行總結與探討，為基因組編輯技術在動植物的應用研究和人類遺傳病的治療研究提供參考。

　　本期專刊的推出希望是我國基因組編輯領域新的“坐標”。在這新的“坐標”，希望基因組編輯技術本身能夠得到更好的發展，同時，最好的基因組編輯技術能夠“整合”到不同的學科和領域，為人類的健康和高質量的工業/農業產品的生產提供保障。

　　本文為《生物工程學報》2017基因組編輯專刊序言，原文鏈接為：http://journals.im.ac.cn/cjbcn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=gc17101661&flag=1

　　本期專刊的全文鏈接：http://journals.im.ac.cn/cjbcn/ch/reader/issue_list.aspx?year_id=2017&quarter_id=10