基因编辑植物未来将现身市场

　　基因编辑是近年来发展起来的可以对基因组完成精确修饰的一种技术，可完成基因定点InDel突变、敲入、多位点同时突变和小片段的删失等。与传统的TALEN和ZFN技术相比，CRISPR/Cas9系统更便捷、高效，应用也更广泛，目前该技术成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确修饰。然而，基因编辑仍然是非常新颖的技术。

　　近日，生物谷围绕基因编辑研究及亮点技术CRISPR特别采访了来自北京生命科学研究所的张昱博士，张昱在基因编辑领域有多年科研经验，对基因编辑及癌症关系研究认识深刻。张博士还将在9月26日出席由生物谷主办的“2014基因编辑研讨会”并发表重要报告，届时他将为我们带来更多精彩解读。以下为本次访谈实录。

　　生物谷：能否简要说明基因编辑的原理、应用领域及研究意义？

　　张昱：遗传物质是一切生命活动的物质基础。通过对生物体基因组的改变（基因编辑），从而改变遗传物质及其所编码信息的内容或读取，将会影响生物体的遗传和其他生物性状。这些生物包括低等生物，比如细菌等微生物；高等生物，比如与人类密切相关的动物和植物；最终也包括人类。

　　可以想象，改变微生物的基因从而可以影响其各种性状，比如影响其耐药性，发酵特性等等；基因编辑可以用于改变农业生产中动物和植物的性状，比如产量，繁殖等；对人类基因组的编辑的应用由于伦理等原因，现在主要集中在基因修复方面，即把一些遗传疾病中出现基因突变回复到正常，但随着对人类疾病的深入研究，基因编辑的方案和目标会进一步扩大。显而易见，改变生命的遗传信息不仅是一个哲学理论问题，也有着广泛的实践意义。

　　生物谷：基因编辑涉及哪些技术？其中，新技术CRISPR与传统技术相比拥有哪些优势？

　　张昱：上世纪末基因工程技术的快速发展使得基因编辑在微生物尤其是细菌和单细胞真核生物（比如酵母）中成为可能，但对于多细胞生物，尤其哺乳动物基因组的编辑一直由于技术问题进展比较缓慢。一般来说，基因编辑的目的是在基因组的特定位点实现可控的改变：比如删除一段基因的编码或调控序列，从而不能产生有功能的基因转录产物，过去通称为“基因敲除”；或者用一段外源性或改变的序列代替原有基因序列，通称为“基因敲入”。传统的真核生物中准确基因编辑倚赖同源重组，对于模式动物（比如小鼠），研究发现胚胎干细胞中发生同源重组的频率比体细胞中高，从而可以在其中进行基因编辑，进而利用干细胞的特性产生基因编辑的小鼠，这一技术获得了2007年的诺贝尔奖。

　　为了能在体细胞和多种生物中实现基因编辑，大量的工作集中在如何提高基因编辑效率，尤其是同源重组效率上。一方面，研究发现，优化同源重组的靶向供体可以提高同源重组效率。另一方面，研究发现在靶向区域引入DNA双链断裂也能够大幅度提高重组效率。事实上，这并不奇怪，因为同源重组修复是真核生物中DNA双链断裂的主要修复方式之一（另一主要修复方式是同源模版不依赖的非同源性末端连接）。如果在基因组特异区域引入一个DNA双链断裂，但不提供同源重组的靶向供体时，细胞可以利用同源染色体进行同源重组修复，也可以利用非同源性末端连接直接修复。但后者的修复过程中通常伴有连接处的碱基缺失或插入，因此也可以造成突变。同样，非同源性末端连接也可以把两个分开的DNA双链断裂连接在一起，从而造成两个DNA双链断裂之间基因片段的删除；当这两个DNA双链断裂位于不同的非同源染色体上时，将会造成染色体转位。

　　最近基因编辑技术的突破主要集中在利用位点特异性DNA断裂来提高编辑的效率上。在CRISPR之前，已经发展了三代基因组特异剪切的技术，这些技术方案的核心是如何实现对基因组特定序列的特异和高效识别、结合、和剪切。与第一代利用改造识别长DNA序列（12-40nt）的限制性内切酶，第二代利用蛋白质锌指结构的DNA结合特异性，第三代利用TALEN蛋白的DNA特异结构域相比，CRISPR对DNA序列的特异结合利用了CRISPER复合物中guideRNA与靶序列的互补碱基配对，而不是蛋白质结构域与DNA的结合，同时对靶DNA的剪切活性来自CRISPR蛋白内的两个核酸酶活性域，所以可以说CRISPR是一种全新的基因组剪切技术。同时，与以往传统技术相比，它具有高特异性，设计上更多的自由度，更高的剪切效率，同时可以被较为方便地导入细胞。CRISPR技术仅仅在最近的两年开始被大量深入研究和优化，可以预见，随着更深入的机制和应用研究，这一技术的优势会越来越大。

　　生物谷：CRISPR技术在疾病治疗领域取得了哪些进展？

　　张昱：基因编辑对人类疾病治疗的研究大部分还处在实验室和动物模型阶段，主要有两个方面。首先，对一些由已知单基因突变产生的遗传疾病，可以把这些突变替换掉，从而恢复基因的功能。当然，这一基因编辑需要发生在成体干细胞中，从而编辑后的细胞可以增殖进而取代原有缺陷的体细胞。目前，对于一些血液系统的遗传疾病研究，比如地中海贫血症、严重免疫缺陷等，已经在动物模型上取得了很大的进展。其次，研究发现对某些基因的失活可以预防或治疗特异疾病。比如，T细胞上的HIV共受体CCR5发生突变后将不能被HIV感染，已经有临床实验利用锌指酶对HIV病人T细胞的CCR5失活，再把这些细胞重新导回病人，使用CRISPR的类似临床实验预期会被很快开展。临床和实验室中大量使用抑制剂来抑制蛋白的活性，可以预见基因编辑导致的基因失活将会代替一部分抑制剂。

　　生物谷：基因编辑研究存在哪些技术难点？

　　张昱：基因编辑研究的主要技术难点是如何高效地在体内和体外实现准确的编辑。对基因组的剪切意味着对基因组引入DNA损伤，如何避免这些DNA损伤导致有害的和不期待的基因组不稳定，比如基因突变和染色体转位等，越来越多地得到重视。同时，如何降低剪切的脱靶效应（off－target）是实现准确基因编辑面临的迫切问题，对于基因组修饰和剪切的机制进一步研究将提供优化的思路。利用基因编辑治疗人类疾病时，尽管发生基因编辑的频率已经相当地高，一个技术难点是如何分离出发生了正确编辑的细胞。

　　生物谷：相比转基因技术产物，基因编辑产品是不是更容易受社会认可？市场上目前有没有应用基因编辑技术的成功案例推出？

　　张昱：转基因的一个主要问题是它在生物体中过表达了一个外源性的基因，在伦理上有较大的争议。基因编辑如果只是对内源基因的功能进行调控，理论上这一调控是自然存在的。尤其是把突变的基因进行修复而回复正常功能，伦理上应该更容易被社会接受。目前市场上应该还没有应用基因编辑的动物产品，但预期应用基因编辑的植物产品应该会很快出现。

　　生物谷：考虑到安全因素，基因编辑技术从实验室进入市场还要多久？面临的主要风险是什么？

　　张昱：基因编辑的应用主要面临的问题不仅仅是技术层面的，而更大一部分来自伦理方面，尤其是对于人类为应用对象，面临和干细胞相似的问题。另一方面，基因编辑对生物体性状的可能不良影响也需要进行长期的和系统的研究。