基因編輯袁生命科學(xué)領(lǐng)域的一場新革命

徐　奎　周　榮牟玉蓮　李　奎（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所袁北京100193）

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基因編輯袁生命科學(xué)領(lǐng)域的一場新革命

徐奎周榮*牟玉蓮李奎
（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所袁北京100193）

摘要院本文介紹了基因編輯技術(shù)的定義堯發(fā)展和優(yōu)勢袁簡介了其在疾病治療堯生物制藥堯器官移植堯品種改良等方面的應(yīng)用遙

關(guān)鍵詞院基因編輯技術(shù)；疾病治療；生物制藥；器官移植；品種改良

最近的一則新聞引起了人們的極大關(guān)注，新聞講述了英國醫(yī)生采用基因編輯技術(shù)成功醫(yī)治罹患惡性白血病女孩的故事。2015年6月，小女孩蕾拉出生于倫敦北部，活潑可愛的女兒給其父母帶來了莫大的幸福。然而，三個月后蕾拉開始患病，醫(yī)生通過血液檢測將其確診為急性淋巴細(xì)胞白血病患者。對嬰兒來說這種疾病相當(dāng)難治療。疾病確診后，化療及骨髓移植對蕾拉均不奏效，醫(yī)生無計可施，建議其父母為愛女安排善終服務(wù)。雖然如此，蕾拉的父母仍不放棄。蕾拉的媽媽說：“我們不接受停止治療，所以我們同意醫(yī)生采取任何可以拯救女兒的治療方法，哪怕是從來沒有采用過的方法，我們也愿意嘗試。”在蕾拉父母的支持下，大奧蒙德街醫(yī)院的專家采用最近在實驗室研發(fā)出的一種實驗性療法對蕾拉進(jìn)行治療。這種療法需要使用“分子剪刀”對基因進(jìn)行編輯，并且創(chuàng)造出基因修飾的免疫細(xì)胞，可以搜尋并殺死耐藥的病變細(xì)胞。在接受幾個月的治療之后，奇跡出現(xiàn)了，小蕾拉的白血病被完全治愈。

基因編輯治療白血病并非偶然，隨著近幾年基因編輯技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是在CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeat）技術(shù)的推動下，生物領(lǐng)域正在興起一場新的革命，基因編輯正被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的各個領(lǐng)域。

“基因編輯技術(shù)”，顧名思義，就是能夠像編輯文字一樣對目標(biāo)基因進(jìn)行編輯。基因編輯工具能夠在一些介質(zhì)的作用下進(jìn)入細(xì)胞中，它們沿著DNA鏈進(jìn)行查找直到發(fā)現(xiàn)我們想要編輯的位置并與之結(jié)合，實現(xiàn)對特定DNA片段的精確修飾和改造[1]。基因編輯技術(shù)到現(xiàn)在已發(fā)展三代，雖然起步只有短短的幾年時間，但是成果斐然，尤其是最新一代的CRISPR/Cas9更是讓其名聲大噪。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)只能讓外源基因隨機(jī)地結(jié)合到基因組的某一個不確定的位置上，這樣不僅限制了轉(zhuǎn)入基因的表達(dá)，還可能對基因組原有序列造成破壞，基因編輯技術(shù)在特定的蛋白或RNA的引導(dǎo)下具有高度精確的定位能力，只對我們想要編輯的位置進(jìn)行操作，這樣就能很好地避免這個問題。基因編輯技術(shù)的另一個優(yōu)勢就在于它高效的精確修飾能力，當(dāng)編輯工具找到目標(biāo)位點以后，它會利用我們提供的DNA模板序列將原有的序列替換下來，這個操作就像在一個機(jī)器中用一個新的零件替換掉原有受損的零件一樣簡單。CRISPR/Cas9技術(shù)能同時對多個位點進(jìn)行編輯的能力也是以往任何技術(shù)都無法做到的。正是基于這些優(yōu)勢，基因編輯技術(shù)在生物學(xué)各個領(lǐng)域的應(yīng)用正如火如荼地開展起來。

在疾病治療方面，科學(xué)家正在研究利用基因編輯技術(shù)對基因突變導(dǎo)致的遺傳性疾病進(jìn)行治療，他們對病變細(xì)胞的基因進(jìn)行精確修飾從而實現(xiàn)對疾病的永久性消除。杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD）是男孩兒中常見的X染色體隱性遺傳疾病，患者在學(xué)齡前就會因骨骼肌不斷退化出現(xiàn)肌肉無力或萎縮，導(dǎo)致行走不便，大概在7～12歲時，會徹底喪失行走能力，通常到20多歲就會因為心肌、肺肌無力而死亡[2]。最近來自美國西南醫(yī)學(xué)中心的研究人員通過研究，將帶有該基因編輯系統(tǒng)的藥物注射到小鼠肌肉中，在一種特殊運載體的協(xié)助下基因編輯系統(tǒng)被運輸?shù)叫∈蟮募∪饧?xì)胞中并對突變的DMD基因進(jìn)行修正，最終小鼠被完全治愈[3]。其實像DMD這樣由于基因突變導(dǎo)致的遺傳性疾病還有很多，如癌癥、白血病、鐮刀形細(xì)胞貧血癥等，基因編輯技術(shù)的應(yīng)用將為這些惡性疾病的治療開辟新的路徑。

在生物制藥方面基因編輯同樣令人矚目，血清白蛋白是血漿中含量最豐富的蛋白質(zhì)，在人體生理學(xué)中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，是一些嚴(yán)重疾病的重要處方藥。由于人類血液供應(yīng)不足及存在血液病毒之間的交叉感染風(fēng)險，科學(xué)家們一直都在尋求人血清蛋白的替代生產(chǎn)，基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)讓這一難題迎刃而解[4]。不久前中國科學(xué)家便宣布他們使用最新一代的基因編輯技術(shù)將豬的血清白蛋白基因替換為人的血清白蛋白基因，并在豬體內(nèi)成功表達(dá)出高純度的人血清白蛋白，這為依賴血清白蛋白藥物的疾病患者帶來福音[5]。利用基因修飾大動物表達(dá)人類醫(yī)用蛋白一直以來都是醫(yī)藥學(xué)家關(guān)注的焦點，然而利用傳統(tǒng)的方法制備基因修飾的大動物，不僅需要消耗大量的人力和財力，而且耗時較長，基因編輯技術(shù)能很好地規(guī)避這些弊端，從而大大推動了以“生物反應(yīng)器”為基礎(chǔ)的生物制藥領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

器官移植是20世紀(jì)最偉大的醫(yī)學(xué)成就之一，挽救了成千上萬器官衰竭患者的生命，然而器官移植在世界范圍內(nèi)面臨著嚴(yán)重的器官來源短缺問題。異種器官移植是指通過手術(shù)的方法將一個物種的器官或組織移植到另一個物種體內(nèi)，代替原來器官或組織繼續(xù)發(fā)揮功能。異種器官移植作為解決供體來源的可能途徑，近年來引起科學(xué)家的廣泛關(guān)注，豬在生理和形態(tài)上的優(yōu)勢被認(rèn)為是最理想的異種器官供體，存在于豬體內(nèi)的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒卻對接受異種器官移植的人體構(gòu)嚴(yán)重威脅[6]。中美研究人員最近在美國《科學(xué)》雜志上報告說，他們利用一種新的基因編輯技術(shù)一次敲除了豬基因組中62個可能有害的逆轉(zhuǎn)錄病毒序列，從而掃清了豬器官用于人體移植的重大障礙，為全世界需要器官移植的上百萬病人帶來希望[7]。

優(yōu)質(zhì)的動植物品種資源是保障國家糧食安全、促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要前提。品種改良對提高家畜生產(chǎn)性能和作物產(chǎn)量有著不可替代的作用，不斷對動植物品種進(jìn)行改良一直是育種工作者努力的核心[8]。傳統(tǒng)的動植物育種技術(shù)主要通過對本物種中的優(yōu)良基因進(jìn)行篩選和積累，整個育種過程不但周期漫長，而且耗費大量人力和財力。基因編輯技術(shù)能夠快速地對影響目標(biāo)性狀的關(guān)鍵基因進(jìn)行精確編輯，在最短的時間內(nèi)得到我們需要的基因型的動植物新品種，從而大大縮短育種周期。科學(xué)家正在利用這一高效育種工具培育出生長速度快、品質(zhì)優(yōu)良、具有較強抗病能力的動植物新品種。最近來自中國的科學(xué)家利用一種叫ZFN的基因編輯技術(shù)對中國地方品種梅山豬上的抑制肌肉生長的基因進(jìn)行了編輯，成功制備的基因編輯豬瘦肉率在原有基礎(chǔ)上大幅提高[9]。

參考文獻(xiàn)

[1]魏景亮,吳添文,阮進(jìn)學(xué),等.基因組編輯技術(shù)改良家畜的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報, 2014(1):32-38.

[2]肖楠,蘇玉虹.杜氏肌營養(yǎng)不良癥(DMD)及其動物模型研究進(jìn)展[J].生命科學(xué), 2007(4):438-445.

[3] Long C, Amoasii L, Mireault AA, et al. Postnatalgenome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy[J]. Science, 2016, 351(6271):400-403.

[4]張英霞,張云.血清白蛋白的功能及應(yīng)用[J].海南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007(3):315-320.

[5] Peng J, Wang Y, Jiang J, et al. Production of Human Albumin in Pigs Through CRISPR/Cas9-Mediated Knockin of Human cDNA into Swine Albumin Locus in the Zygotes [J]. Scientific reports, 2015(5):16705.

[6]蘭宗寶,王修文,許惠艷.豬器官異種移植研究進(jìn)展[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008(3):380-384.

[7] Yang L, Guell M, Niu D, et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs) [J]. Science, 2015, 350(6264):1101-1104.

[8]韓（懷.生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)經(jīng), 2014 (1):80-81,85.

[9] Qian L, Tang M, Yang J, et al. Targeted mutations in myostatin by zinc-finger nucleases result in double-muscled phenotype in Meishan pigs[J]. Scientific reports, 2015(5):14435.

中圖分類號院S828.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼院A

文章編號院1673-4645(2016)04-0065-02

收稿日期：2016-03-29

基金項目：轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項（2014ZX08006-003），國家重大科學(xué)研究計劃（2015CB943100）

作者簡介：徐奎（1989-），漢族，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事動物生物技術(shù)研究，E-mail：1286735289@qq.com*通訊作者，周榮，漢族，助理研究員，主要從事動物遺傳育種與繁殖研究，E-mail：zhourong03@caas.cn