闲聊基因编辑

 

不知何时起，基因编辑技术大热，成为生命科学圈子热议话题之一。那么，到底什么是基因编辑呢？在这里尝试用较为通俗的语言来介绍一二（能力有限，不足之处望谅解）。

 

何为基因编辑？简单而言就是为基因（本质是DNA）做手术。为了能更详细的说明这个问题，这里举个可能不太适当的类比。比如，你有一段小肠出现了问题出现临床症状了，现在怎么办呢？采用手术的办法，先把问题小肠切除，然后如果有其它小肠的话，再把切除的这部分去除，也或者直接把两端连接，达到致病目的。同样，如果DNA出问题了（基因突变），也可以采取手术吗？答案是肯定的，但相对于其它手术，这种手术就是微创中的微创了（相对于组织而言，DNA实在是太小太小了）。

手术无非两部分组成，定位和切割，定位不准容易把正常组织切掉（会引起医疗纠纷的哦，当然这里是DNA更大的损伤了），而切不开的话，那就是手术失败了。

最早的策略叫同源重组，利用机体自身的机制进行DNA替换，但是效率不高，提升效率的关键在于先把DNA切开。

现在关键问题就是两个，目的DNA怎么定位？目的DNA怎么切开？

第二个问题相对比较好解决。体内存在一类成为DNA内切酶的分子，可以高效切DNA，所以科学家的焦点围绕在DNA序列识别上。

90年代，科学家发现转录因子具有DNA识别特异性，特别是一类具有特殊结构（锌指）的蛋白含有可以和三个碱基（DNA的成分之一，关键识别点）一一对应的关系，研究人员就创造性把锌指结构根据需要进行组合，然后和负责切的核酸内切酶连起来，形成嵌合体（就是杂合分子），这种技术称为ZFN，实现了第一次提升（由天然酶过度到人工改造酶）。2009年，又出现了TALEN技术，原理和ZFN类似，但比ZFN简单，因为它的原理是一个蛋白结构和一种碱基对应，更易于操作。从实际操作和应用前景而言，TALEN技术远远超过ZFN，但从技术原创性方面而言，则TALEN逊色不少。

                                                                  ZFN技术

 

                            TALEN技术

就在大家畅想是否进一步改进TALEN时（设计更好的碱基识别蛋白质）时，新思维的出现使这种形式出现巨大转变。

2012年，研究人员突然发现，DNA碱基的识别不再需要蛋白质，RNA也可完成，这种技术称为CRISPR-Cas9技术。由于DNA和RNA识别符合配对原则（A=U/T，G=C），是一种简单线性关系，远远简单于原来的蛋白质组合方法，而且也不用融合形成嵌合体，而是RNA分子+DNA内切酶两部分完成。这是基因编辑领域的第二次思维提升（核酸代替蛋白质识别功能），大大降低技术门槛，引起随后全世界科学家的追逐热潮。

                        CRISPR-Cas9技术

既然RNA可识别DNA，那么另一种核酸分子DNA是否也具有这种能力呢？2014年，发现单链DNA与DNA内切酶联用也可完成DNA手术，但这种DNA内切酶最佳切割所需温度过高（70度），因此无法进一步在细胞内开展工作。2016年发现一种37度的DNA内切酶，联合单链DNA完成细胞内DNA切割，从而大大拓展了基因编辑的技术选择。

总之，基因编辑从大方面而言，就一种，那就是靶向DNA内切酶切割，进一步可分为两大类：一类是蛋白质识别的嵌合酶，一类是核酸（RNA/DNA）引导的核酸内切酶（见下图）。

 

                                                                                                           基因编辑技术分类

 

基因编辑技术研究历程