基因編輯
——擎起“人定勝天”的先進技術

谷峰

（中國農業科學院上海獸醫研究所 農業農村部獸用化學藥物及制劑學重點實驗室，上海200241）

人類，作為地球的主人，利用其聰明才智，推動著科學在不斷的進步。在遠古時代，我們的祖先茹毛飲血，獲得食物的方法主要包括漁獵和采摘自然果蔬。但是在特殊的季節，如酷熱的夏天和寒冷的冬天以及陰雨連綿的雨季，獲取食物將會成為十分棘手的問題。我們祖先在思考，是否可以將果實種子播種作為作物（今天以水稻、小麥、玉米為代表的糧食作物），這樣栽培后可以獲得更多的糧食，是否可以將野生的動物馴化為家畜和家禽（今天以豬/馬/牛/羊、雞/鴨/鵝為代表的食品動物）。這些改造自然的過程誕生了人類最原始的大農業：種植業和畜牧業。為了獲得高產、優質動植物，育種自然成為人類科學的“第一步”。而發酵業源于人類利用微生物對糧食或果品的作用，制造了酒、醋、醬油等生活品，讓人類的餐盤更加“有滋有味”。在疾病面前，人類沒有退縮，神農“嘗百草”開啟了人類同疾病的斗爭。 在這些漫漫歷史長河中，人類不斷地認識自然、敬畏自然和改造自然。而定向的物種改造如同一根“線”，始終貫穿在人類歷史長河中。定向育種的本質是人類不斷對含有基因組變化的個體進行選育的過程。傳統的遺傳育種是一個耗時、耗力且耗財的過程，如何更高效地進行物種改造，一直是人類思考的問題。基因作為生命體的主要承載體，高效、特異的編輯基因，以此造福于人類，曾經是人類的“夢想”。“美夢成真”將極大的促進人類改造自然界中物種的能力，包括利用其作為人類疾病的治療“武器”。今天，作為新興的技術，基因編輯正在生命領域引發一場技術革命。

在此背景下，《生物技術通報》邀請了一批以年輕人為主的科研團隊，推出一期主題為“基因編輯”的專題（包括綜述10篇，研究論文5篇）。該專題匯集了多個領域的進展， 分別從醫學（含動物）、植物、微生物和技術方法學等方面進行了展示。

白血病是人類最常見的血液系統疾病之一。5-脂氧合酶（5-LO，編碼基因為ALOX5）可能是白血病生物標志物或治療靶點。但目前ALOX5功能及致病機理尚未完全清晰。昆明理工大學撒亞蓮團隊構建了靶基因為ALOX5的CRISPR/Cas9載體，為后續在白血病中闡明ALOX5功能奠定了基礎。糖尿病是常見的代謝病之一，蛋白激酶A（PKA）在促進胰島β細胞分泌胰島素中的角色仍然不很清晰，為此，南方醫科大學姚新剛團隊利用CRISPR/Cas9系統在大鼠胰島瘤細胞中成功敲除PKA C-α基因，為研究PKA C-α在胰島β細胞中的功能奠定了基礎。上皮鈉通道廣泛分布于肺泡上皮細胞中，α-ENaC蛋白是上皮鈉通道的功能亞基。為了更好地研究α-ENaC蛋白在II型肺泡上皮細胞中的功能，新鄉醫學院白義春團隊利用CRISPR/Cas9成功構建α-ENaC基因敲除的細胞株。進一步闡明α-ENaC對大鼠II型肺泡上皮細胞細胞增殖的調控機制及其它功能奠定了基礎。廣西師范大學楊柳團隊總結了CRISPR技術在生物學與醫學中的研究。

動物生物反應器是醫藥研究的一個重點方向。轉基因技術是動物生物反應器的關鍵基礎，河南科技大學董發明團隊總結了優化外源基因在動物體內高效表達的相關策略，為以動物基因工程為基礎的生物醫藥研發和動物育種提供了參考。在構建動物疾病模型和大動物育種方面，體細胞核移植技術是動物克隆的核心技術。手工克隆為核移植技術一種，其不僅操作程序簡單、不需要顯微操作儀、成本較低，還可以提高囊胚率。中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所楊博輝團隊對手工克隆的操作細節、表觀遺傳重編程異常和重編程異常修復等進行了總結與展望，以期更好地將其應用到人類疾病模擬和畜牧生產中。

鱗翅目昆蟲種類繁多，遺傳多樣性極高。家蠶是人類最早養殖的經濟昆蟲之一，目前家蠶生物反應器也是生物醫藥方向之一。斜紋夜蛾和棉鈴蟲是棉花種植中重要的農業昆蟲。中國農業科學院農業基因組研究所蕭玉濤團隊對鱗翅目這三種昆蟲對應的基因編輯研究進行了總結，并對應用前景進行了展望。這些為鱗翅目昆蟲功能基因組解析與相應的綠色防控提供參考。

水稻作為重要的糧食作物之一，培育改良的香味品質將更符合人們需求，吉林省農業科學院李毅丹團隊對水稻中OsBADH2基因進行了編輯，這為水稻品種改良奠定了基礎。馬鈴薯是餐桌上常見蔬菜之一，隨著國家實行的馬鈴薯主糧化戰略，人們對于不同的馬鈴薯的需求更加旺盛。基因編輯技術將大大加快馬鈴薯的定向育種。云南師范大學龔明團隊總結了基因編輯技術在馬鈴薯育種中的應用，分析了目前存在的問題，并對技術應用進行了展望，這些將為基因編輯技術用于馬鈴薯定向育種提供借鑒。

谷氨酸棒桿菌是一種具有重要工業應用價值并且安全的底盤微生物，目前被廣泛的應用于各種化學品生產，特別是氨基酸的生產。堿基編輯作為新型基因編輯技術，目前在人類細胞、動物、植物和微生物中得到了應用。中國科學院天津工業生物技術研究所王猛團隊在谷氨酸棒桿菌中開發了一種單質粒堿基編輯系統，這些為工業微生物基因組改造提供了更多的便利。

CRISPR/Cas9系統除了用于基因定點改造，因其具備特異性切割核酸的能力，也被用于分子檢測，由此構建快速、超敏、高特異性的生物傳感系統。重慶大學羅陽團隊對基于CRISPR/Cas系統的生物傳感策略進行了總結，并展望了其未來發展的方向。RNA作為生命體的重要組成， CRISPR/Cas13可以靶向ssRNA，中國科學院植物生理學和生態學研究所李軒團隊對該家族的分類以及防御機制進行了綜述，介紹了 CRISPR/Cas13 技術的應用及其進展，并對該體系存在的問題進行了分析和展望。

最后需要指出，目前的基因編輯技術并不是完美的，相關的脫靶問題嚴重限制了CRISPR/Cas9系統的進一步應用，這也是制約其作為臨床藥物治療人類疾病的重要瓶頸。中國農業大學的許文濤團隊就CRISPR/Cas9系統的脫靶類型、影響因素、降低策略以及脫靶檢測技術進行總結。這些將為基因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。

本期專題的推出是在國家抗擊新型冠狀病毒的特殊時期，基因編輯技術將會在醫學、農業、工業中廣泛應用，相關的技術革命將為人類的健康（疫苗和有效藥物的研發）和高質量的工業/農業產品的生產提供保障。廣大科技人員利用以基因編輯技術為主體的先進生物技術將最終會戰勝瘟疫，“人定勝天”。