基因编辑：生命科学领域热点发展方向

2022-09-30杭州市科技信息研究院

杭州科技 2022年3期

□文/ 钱野杭州市科技信息研究院

基因编辑，又称基因组编辑或基因组工程，是一种新兴的、比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的基因工程技术。2020 年诺贝尔奖化学奖颁给了来自加州大学伯克利分校和德国马普感染生物学研究所的两位科学家，以表彰她们发明了“CRISPR-Cas9”基因编辑工具，基因编辑领域再次成为研究的热点。

基因编辑技术影响力辐射广，技术创新高度活跃，技术的不断完善促进了农业、畜牧业和生物医学等领域的快速发展。但该领域在科学伦理方面存在较大争议，相关产业在争议中逐步发展。

基因编辑主流技术方法

同源重组（Homologous Recombination）

同源重组是最早用来编辑细胞基因组的技术方法。同源重组是在DNA 的两条相似（同源）链之间遗传信息的交换（重组）。生产和分离带有与待编辑基因组部分相似的基因组序列的DNA 片段，将这些片段注射到单核细胞中，或者用特殊化学物质使细胞吸收。这些片段一旦进入细胞，便可与细胞的DNA 重组，以取代基因组的目标部分。这种方法的缺点是效率极低，且出错率高。

核酸酶（Nucleases）

基因编辑的关键是在基因组内特定位点创建DSB(双链DNA 断裂)。常用的限制酶在切割DNA 方面是有效的，但它们通常在多个位点进行识别和切割，特异性较差。为了克服这一问题并创建特定位点的DSB，人们对四种不同类型的核酸酶进行了生物工程改造。它们分别是巨型核酸酶（Meganuclease）、锌指核酸酶（ZFN）、转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）和成簇规律间隔短回文重复（CRISPR -Cas）。其中，前三者被Nature Methods评为2011年度方法。CRISPR-Cas系统被科学界评为2015年度最佳突破。

巨型核酸酶（Meganuclease）是一种脱氧核糖核酸内切酶，其特征在于它的识别位点较大（12 至40 个碱基对的双链DNA 序列），该位点通常在任何给定的基因组中仅有一个。因此，巨型核酸酶被认为是最特异的天然存在的核酸酶。

锌指核酸酶（ZFN）是一个经过人工修饰的核酸酶，它通过将一个锌指DNA 结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而产生。通过设计锌指结构域就可以实现对目的基因的特定DNA 序列的靶向切割，这也使得锌指核酸酶能够定位于复杂基因组内的独特的靶向序列。通过利用内源DNA 修复机制，锌指核酸酶可用于精确修饰高等生物的基因组。

转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）是经过基因工程改造后的可以切割特定DNA 序列的限制酶。TALEN是通过将一个TAL 效应子DNA 结合结构域与核酸酶的一个DNA 切割结构域融合而获得的。TALEN 可以被设计成与几乎任何所需的DNA 序列结合，可以在特定位置进行切割。

成簇规律间隔短回文重复（CRISPR -Cas）是原核生物免疫系统，赋予原核生物对如存在于质粒和噬菌体中的外来遗传物质的抗性，是一种获得性免疫系统。携带间隔序列的RNA 有助于Cas（CRISPR 相关）蛋白识别并切割外源致病DNA。其他RNA指导的Cas蛋白切割外源RNA。CRISPR-Cas系统是应用最广泛的基因编辑工具。

基因编辑技术的应用

农业和畜牧业

在自然条件下，某些植株发生基因突变可能会生长得更强壮、果实更加硕大，选择这些植株进行扩大培育也就是农作物培育选种的过程。

为了缩短自然筛选的过程，最初生物学家用化学物质或者辐射诱导突变，但是诱导突变的过程耗时较长，并且准确度不高。基因工程技术的出现加速了农作物的选种过程，主要通过引入外源性基因来控制植物体性状的表达从而获得“转基因”植物，但是转基因食品的食用安全性一直是民众争议的话题。

CRISPR-Cas9 基因编辑技术的出现又让农作物的培育方式发生了改变，在无需引入外源性基因的条件下，直接定向修改植株本体基因，成本低、效率高，为培育性状优良的农作物提供了新的选择。2017 年3 月，美国农业部已经批准经过基因编辑技术诱导而产生突变的农作物不需要额外的监督管理，他们认为这些农作物发生的改变和传统的基因突变过程相似。同样，在畜牧业中，基因编辑技术可以生产美味可口、营养价值高、质量更好的肉蛋奶产品，但是其食用安全性方面目前并没有权威、全面的评价。

生物医学领域

利用基因编辑技术进行基因治疗的研究在近几年进展飞速，通过基因编辑可以从根本上纠正受体有缺陷的基因，从而治疗某些疾病。

在2019 年，著名学者张锋的基因组编辑公司(Editas Medicine)采用CRISPR-Cas9 基因疗法，巧妙地去除由CEP290 基因中的IVS26 突变产生的异常剪接供体，使CEP290 基因正常表达，最终成功恢复了Leber 先天性黑蒙症10型的视力。

在癌症的治疗上，可通过编辑免疫细胞，增强免疫细胞的功能，使其能够识别并消灭癌细胞。Strimvelis、Kymriah 和Yescarta 这3 个药物都是通过这种方法分别将基因药物整合到患者造血干细胞和T 细胞再自体回输来进行癌症治疗的。近些年来基因编辑技术已经对白血病、淋巴瘤、肝癌、肺癌的治疗等展现出了初步的研究结果，但是其应用中的风险性也是不能被忽视的。在一项针对严重复合型免疫缺乏症(SCID)的基因治疗临床试验中，两名受试者在注射药物后患上了白血病。因此，在临床治疗中基因编辑技术还需要不断地探索和完善。另外，值得注意的是基因编辑技术在人类细胞水平和人类胚胎水平的探索和应用也要区别对待。“基因编辑婴儿”事件遭到了科学家们的一致批判与反对，在基因编辑技术尚不够成熟的基础上进行人类胚胎细胞的编辑，这是极其不负责任的，在伦理学上也是不允许的。

基因编辑技术的产业化现状

发机构，提供专利技术授权；中游是产品和服务供应商，提供试剂开发及核酸序列设计合成，以及应用技术开发和转化，是基础研究成果转化为商业化应用的关键；下游主要终端用户包括生物技术和制药公司、科研机构以及合同研发机构。三者之间通过合作、投资等方式紧密结合开展基因编辑研究。

全球基因编辑技术产业链逐步成形

随着基因编辑技术本身和应用研究的不断推进，其产业格局正在逐渐形成。从专利的申请机构来看，既有科研机构，也有企业，表明基因编辑技术已经从基础研究向商业化应用转化并迅速推广。

目前，基因编辑技术的商业化应用主要包括科研、制药和育种等几大领域。产业链上游主要是高校和技术开

基因编辑技术育种应用产业初步显现

基因编辑技术育种涉及的伦理问题相对较少，因此，该技术在育种领域的应用潜力率先显现。基因编辑育种技术的应用不仅减小了转基因品种的风险，也降低了育种技术准入门槛，使一些小公司、小企业也有机会进入该领域。2018 年，美国农业部批准利用CRISPR 技术获得的作物进入市场，为该领域的发展带来机遇。农业生物技术巨头已经开始进入基因编辑育种领域开展研发。美国孟山都公司早在2016年即获得CRISPR核心技术专利在农业领域的首个全球许可；美国杜邦与陶氏的育种业务已合并成立陶氏杜邦公司，在基因编辑育种市场中占据重要地位。

我国在基因编辑育种技术的应用研究中虽然具有先发优势，但相关产业并未形成，相关公司业务主要集中于技术服务。杭州百格生物是国内第一家专注于基因组编辑技术的生物技术公司。基于CRISPR-Cas9技术，百格生物拥有独有的全基因组单/多位点分析设计系统、高通量的gRNA 载体组装技术、高效的遗传转化技术和基于云端的测序结果自动化分析体系。该公司已为全球超过100多个研究所、课题组提供基因组编辑服务，对近2000个基因（靶点）进行成功编辑，与多家国内一流的研究所建立深度合作关系。目前，百格正与国内多个农科院和科学院合作，提供水稻、大豆、玉米等重要作物品种的基因编辑服务，对几种重要作物品种进行改良，以期获得全新的品种。

基因编辑技术医疗应用成为行业热点

基于基因编辑技术的疾病治疗方案开发已吸引了产业界的关注，包括拜耳、诺华、辉瑞等多家大型跨国公司已布局相关业务，而专注CRISPR等基因编辑技术的初创公司也陆续上市，显示这一领域的巨大产业发展前景。全球主要基因编辑技术公司的总部均设在美国，表明了美国在该领域的强大竞争力。从技术类型上看，各公司所采用的技术也几乎涵盖了三代基因编辑技术，但仍以CRISPR为主。

我国医疗行业涉及基因编辑技术的企业有几十家，大多处于产业链的中游，以试剂盒开发和技术支持为主，用户主要为医疗机构、企业、科研院所与高校等，显示基因编辑技术本身在国内的科研应用较为成熟。有些公司已经利用基因编辑技术，初步开展疾病治疗方案的开发。北京博雅基因是中国首家基因编辑公司，目前已初步开发针对癌症、遗传疾病及感染性疾病的新型疗法；重庆高圣生物医药已与第三军医大学、重庆医科大学、中国科学院等机构合作，推动利用CRISPR破坏乙肝病毒靶定表面抗原编码区的靶向药物的研发。