基因编辑袁生命科学领域的一场新革命

徐　奎　周　荣牟玉莲　李　奎（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所袁北京100193）



基因编辑袁生命科学领域的一场新革命

徐奎周荣*牟玉莲李奎
（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所袁北京100193）

摘要院本文介绍了基因编辑技术的定义尧发展和优势袁简介了其在疾病治疗尧生物制药尧器官移植尧品种改良等方面的应用遥

关键词院基因编辑技术；疾病治疗；生物制药；器官移植；品种改良

最近的一则新闻引起了人们的极大关注，新闻讲述了英国医生采用基因编辑技术成功医治罹患恶性白血病女孩的故事。2015年6月，小女孩蕾拉出生于伦敦北部，活泼可爱的女儿给其父母带来了莫大的幸福。然而，三个月后蕾拉开始患病，医生通过血液检测将其确诊为急性淋巴细胞白血病患者。对婴儿来说这种疾病相当难治疗。疾病确诊后，化疗及骨髓移植对蕾拉均不奏效，医生无计可施，建议其父母为爱女安排善终服务。虽然如此，蕾拉的父母仍不放弃。蕾拉的妈妈说：“我们不接受停止治疗，所以我们同意医生采取任何可以拯救女儿的治疗方法，哪怕是从来没有采用过的方法，我们也愿意尝试。”在蕾拉父母的支持下，大奥蒙德街医院的专家采用最近在实验室研发出的一种实验性疗法对蕾拉进行治疗。这种疗法需要使用“分子剪刀”对基因进行编辑，并且创造出基因修饰的免疫细胞，可以搜寻并杀死耐药的病变细胞。在接受几个月的治疗之后，奇迹出现了，小蕾拉的白血病被完全治愈。

基因编辑治疗白血病并非偶然，随着近几年基因编辑技术的不断发展，特别是在CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeat）技术的推动下，生物领域正在兴起一场新的革命，基因编辑正被广泛应用于生命科学的各个领域。

“基因编辑技术”，顾名思义，就是能够像编辑文字一样对目标基因进行编辑。基因编辑工具能够在一些介质的作用下进入细胞中，它们沿着DNA链进行查找直到发现我们想要编辑的位置并与之结合，实现对特定DNA片段的精确修饰和改造[1]。基因编辑技术到现在已发展三代，虽然起步只有短短的几年时间，但是成果斐然，尤其是最新一代的CRISPR/Cas9更是让其名声大噪。传统的转基因技术只能让外源基因随机地结合到基因组的某一个不确定的位置上，这样不仅限制了转入基因的表达，还可能对基因组原有序列造成破坏，基因编辑技术在特定的蛋白或RNA的引导下具有高度精确的定位能力，只对我们想要编辑的位置进行操作，这样就能很好地避免这个问题。基因编辑技术的另一个优势就在于它高效的精确修饰能力，当编辑工具找到目标位点以后，它会利用我们提供的DNA模板序列将原有的序列替换下来，这个操作就像在一个机器中用一个新的零件替换掉原有受损的零件一样简单。CRISPR/Cas9技术能同时对多个位点进行编辑的能力也是以往任何技术都无法做到的。正是基于这些优势，基因编辑技术在生物学各个领域的应用正如火如荼地开展起来。

在疾病治疗方面，科学家正在研究利用基因编辑技术对基因突变导致的遗传性疾病进行治疗，他们对病变细胞的基因进行精确修饰从而实现对疾病的永久性消除。杜氏肌营养不良（DMD）是男孩儿中常见的X染色体隐性遗传疾病，患者在学龄前就会因骨骼肌不断退化出现肌肉无力或萎缩，导致行走不便，大概在7～12岁时，会彻底丧失行走能力，通常到20多岁就会因为心肌、肺肌无力而死亡[2]。最近来自美国西南医学中心的研究人员通过研究，将带有该基因编辑系统的药物注射到小鼠肌肉中，在一种特殊运载体的协助下基因编辑系统被运输到小鼠的肌肉细胞中并对突变的DMD基因进行修正，最终小鼠被完全治愈[3]。其实像DMD这样由于基因突变导致的遗传性疾病还有很多，如癌症、白血病、镰刀形细胞贫血症等，基因编辑技术的应用将为这些恶性疾病的治疗开辟新的路径。

在生物制药方面基因编辑同样令人瞩目，血清白蛋白是血浆中含量最丰富的蛋白质，在人体生理学中起着关键的调节作用，是一些严重疾病的重要处方药。由于人类血液供应不足及存在血液病毒之间的交叉感染风险，科学家们一直都在寻求人血清蛋白的替代生产，基因编辑技术的出现让这一难题迎刃而解[4]。不久前中国科学家便宣布他们使用最新一代的基因编辑技术将猪的血清白蛋白基因替换为人的血清白蛋白基因，并在猪体内成功表达出高纯度的人血清白蛋白，这为依赖血清白蛋白药物的疾病患者带来福音[5]。利用基因修饰大动物表达人类医用蛋白一直以来都是医药学家关注的焦点，然而利用传统的方法制备基因修饰的大动物，不仅需要消耗大量的人力和财力，而且耗时较长，基因编辑技术能很好地规避这些弊端，从而大大推动了以“生物反应器”为基础的生物制药领域的蓬勃发展。

器官移植是20世纪最伟大的医学成就之一，挽救了成千上万器官衰竭患者的生命，然而器官移植在世界范围内面临着严重的器官来源短缺问题。异种器官移植是指通过手术的方法将一个物种的器官或组织移植到另一个物种体内，代替原来器官或组织继续发挥功能。异种器官移植作为解决供体来源的可能途径，近年来引起科学家的广泛关注，猪在生理和形态上的优势被认为是最理想的异种器官供体，存在于猪体内的内源性逆转录病毒却对接受异种器官移植的人体构严重威胁[6]。中美研究人员最近在美国《科学》杂志上报告说，他们利用一种新的基因编辑技术一次敲除了猪基因组中62个可能有害的逆转录病毒序列，从而扫清了猪器官用于人体移植的重大障碍，为全世界需要器官移植的上百万病人带来希望[7]。

优质的动植物品种资源是保障国家粮食安全、促进现代农业可持续发展的必要前提。品种改良对提高家畜生产性能和作物产量有着不可替代的作用，不断对动植物品种进行改良一直是育种工作者努力的核心[8]。传统的动植物育种技术主要通过对本物种中的优良基因进行筛选和积累，整个育种过程不但周期漫长，而且耗费大量人力和财力。基因编辑技术能够快速地对影响目标性状的关键基因进行精确编辑，在最短的时间内得到我们需要的基因型的动植物新品种，从而大大缩短育种周期。科学家正在利用这一高效育种工具培育出生长速度快、品质优良、具有较强抗病能力的动植物新品种。最近来自中国的科学家利用一种叫ZFN的基因编辑技术对中国地方品种梅山猪上的抑制肌肉生长的基因进行了编辑，成功制备的基因编辑猪瘦肉率在原有基础上大幅提高[9]。

参考文献

[1]魏景亮,吴添文,阮进学,等.基因组编辑技术改良家畜的研究进展[J].中国农业科技导报, 2014(1):32-38.

[2]肖楠,苏玉虹.杜氏肌营养不良症(DMD)及其动物模型研究进展[J].生命科学, 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]张英霞,张云.血清白蛋白的功能及应用[J].海南大学学报(自然科学版), 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]兰宗宝,王修文,许惠艳.猪器官异种移植研究进展[J].广西农业科学, 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]韩（怀.生物技术在农业育种中的应用[J].山西农经, 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.

中图分类号院S828.2

文献标识码院A

文章编号院1673-4645(2016)04-0065-02

收稿日期：2016-03-29

基金项目：转基因生物新品种培育重大专项（2014ZX08006-003），国家重大科学研究计划（2015CB943100）

作者简介：徐奎（1989-），汉族，湖北随州人，硕士研究生，主要从事动物生物技术研究，E-mail：1286735289@qq.com*通讯作者，周荣，汉族，助理研究员，主要从事动物遗传育种与繁殖研究，E-mail：zhourong03@caas.cn