基因編輯技術(shù)：進(jìn)展與挑戰(zhàn)
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中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊 生命科學(xué)的迅速發(fā)展使得我們從生物遺傳信息的“讀取”階段進(jìn)入到后基因組時(shí)代，基因組的“改寫(xiě)”乃至“全新設(shè)計(jì)”正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。以設(shè)計(jì)創(chuàng)造新生命體為目標(biāo)的合成生物學(xué)在此背景下迅速發(fā)展，并在醫(yī)藥、制造、能源等領(lǐng)域顯現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。基因組的從頭合成和針對(duì)天然基因組的規(guī)模改造分屬合成基因組學(xué)和基因編輯領(lǐng)域，均為當(dāng)前合成生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。合成基因組學(xué)涉及基因組的從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建和功能表征等，屬于自下而上的生物學(xué)研究策略；而基因編輯側(cè)重于通過(guò)對(duì)現(xiàn)有基因組進(jìn)行刪除、替換、插入等分子操作，進(jìn)而改寫(xiě)遺傳信息，屬于自上而下的生物學(xué)研究策略。以上兩者的有機(jī)結(jié)合將極大地推動(dòng)生物制造、疾病治療等領(lǐng)域的革新；同時(shí)二者也將為后基因組時(shí)代，功能基因組學(xué)的研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。新生命體系的從頭設(shè)計(jì)與合成不僅需要基因組序列的合成、拼接及轉(zhuǎn)移等技術(shù)，也需要高效率、低脫靶率的編輯技術(shù)以實(shí)現(xiàn)在基因組上進(jìn)行大規(guī)模的編輯改造。在不斷的探索研究中，基因編輯技術(shù)已經(jīng)從最初依賴細(xì)胞自然發(fā)生的同源重組，發(fā)展到幾乎可在任意位點(diǎn)進(jìn)行的靶向切割，其操作的簡(jiǎn)易和高效極大地推動(dòng)了物種遺傳改造的發(fā)展。基因編輯可為合成生命的進(jìn)一步改造提供手段，為新物種的創(chuàng)造提供更多的可能性。
基因編輯的原理
基因編輯技術(shù)是對(duì)生物體?DNA?斷裂的現(xiàn)象及其修復(fù)機(jī)制的應(yīng)用。作為一種常見(jiàn)的分子生物學(xué)事件，在分裂活躍的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，DNA?雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks，DSBs）每天會(huì)發(fā)生。DSBs?發(fā)生后細(xì)胞可以通過(guò)多種方式進(jìn)行修復(fù)，包括經(jīng)典的非同源末端修復(fù)（non-homologous end joining，NHEJ），選擇性末端修復(fù)（alternative end joining，a-EJ），單鏈退火修復(fù)（single-strand annealing，SSA）和同源重組修復(fù)（homologous recombination，HR）。HR?可以進(jìn)行精確無(wú)誤的修復(fù)，但是需要同源模板的存在；NHEJ?則是將很大程度上沒(méi)有同源性的兩個(gè)?DNA?末端直接連接實(shí)現(xiàn)修復(fù)[7]，此過(guò)程中，兩個(gè)末端在大多數(shù)情況下都會(huì)發(fā)生若干核苷酸的缺失，是一種不精確的修復(fù)機(jī)制。而作為輔助性的修復(fù)機(jī)制，a-EJ?和?SSA?均需要更大幅度的末端單鏈切除，這也會(huì)導(dǎo)致遺傳信息的丟失。基于?DNA?斷裂修復(fù)的原理，如果在細(xì)胞中人為提供特定的同源重組模板，待目標(biāo)?DNA?自然發(fā)生或者人為誘導(dǎo)產(chǎn)生?DSBs，觸發(fā)同源重組修復(fù)，就有機(jī)會(huì)把特定?DNA?序列進(jìn)行刪除或者插入外源基因。在不提供同源模板的情況下，利用?NHEJ、a-EJ?及?SSA?的不精確修復(fù)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)基因的突變和敲除。傳統(tǒng)的基因編輯借助細(xì)胞內(nèi)自然發(fā)生的?DSBs?實(shí)現(xiàn)靶向整合，達(dá)到基因敲除、替換等目的。然而，在真核生物細(xì)胞里面，通過(guò)自發(fā)雙鏈斷裂實(shí)現(xiàn)目的基因編輯的概率通常低至百萬(wàn)分之一。人為使用化學(xué)誘導(dǎo)劑或者輻射處理等方法，或者使用轉(zhuǎn)座子技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)基因的突變，但是這些突變是隨機(jī)的，需要后續(xù)進(jìn)行大量的篩選工作來(lái)獲得所需的基因型。定點(diǎn)基因編輯技術(shù)是進(jìn)行基因功能研究和物種定向改造的優(yōu)選策略。