來源：科技日報

2017年十大科學(xué)突破中，“精準(zhǔn)定位的基因編輯”榜上有名，研究人員修改了基因編輯工具，做到“精確到點”的修改，這使得基因“剪刀”在未來可能撬動更大的市場。

　　軟軟的、十幾納米大小，核酸酶的“微觀照”更像一大團“棉花糖”。百科上這樣介紹它：它的發(fā)現(xiàn)和采用，使基因的“編輯”，包括插入、刪失、融合等操作成為可能。它內(nèi)部是“分區(qū)”的，有的區(qū)管“定位”、有的區(qū)管“切割”……

　　正是這把“棉花糖”樣的“剪刀”就要“利刃出鞘”——美國某著名咨詢公司近日發(fā)布報告稱，全球基因組編輯（包括CRISPR、TALEN和ZFN）的市場規(guī)模將從2017年的31.9億美元增長到2022年的62.8億美元，復(fù)合年均增長率為14.5%。

　　產(chǎn)業(yè)市場的“全面開花”還只是一部分，“點”的突破仍在基因編輯行業(yè)不斷產(chǎn)生。美國《科學(xué)》雜志近日公布的2017年十大科學(xué)突破中，“精準(zhǔn)定位的基因編輯”榜上有名，研究人員修改了基因編輯工具，做到“精確到點”的修改，這使得基因“剪刀”在未來可能撬動更大的市場。

　　三種手段，各有千秋

　　“蘑菇有個釋放孢子的‘習(xí)慣’，之后摘下來的蘑菇就要變黑，拿到市場上也不好賣。”清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)研究中心研究員謝震深入淺出，怎么讓它不黑，通過敲除誘發(fā)這個“習(xí)慣”的基因，“生物活動被阻斷了，就不會變黑了，進而延長貨架期?！?/span>

　　對自然界一些“拙作”進行“美化”，是人們希望通過基因編輯做到的。

　　現(xiàn)有的3種基因編輯技術(shù)ZFN、TALEN、CRISPR，又是怎么做到編輯基因，改變生物活動的呢？“ZFN、TALEN技術(shù)可以視為一類，它們是通過外源的蛋白質(zhì)，進入細胞后找到DNA序列的?！敝x震說，“CRISPR技術(shù)的‘核心功能組件’則不同，有一部分是RNA序列，另一部分是蛋白質(zhì)?！?/span>

　　要完成編輯工作，它們的架構(gòu)和功能都很相似，3種技術(shù)中依賴的“核心組件”，都必須擁有“定位”功能和“剪切”功能：ZFN技術(shù)中的蛋白叫鋅指核酸酶，由于三維結(jié)構(gòu)像人的手指，中間有鋅離子而得名；TALEN技術(shù)中的蛋白叫轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶。

　　兩個核酸酶都有分區(qū)，即可特異性識別序列的DNA結(jié)合域和進行非特異性切割的DNA切割域。

　　在CRISPR技術(shù)中，識別特異性DNA序列的工作由“向?qū)NA”配合完成，而不是由蛋白質(zhì)單獨完成，切割DNA的工作仍由蛋白質(zhì)完成。

　　“酶的不同，使得技術(shù)的復(fù)雜程度和應(yīng)用范圍也不相同，”謝震說，例如“一拖多”的基因編輯工作，即能夠一次同時編輯多個基因的任務(wù)，CRISPR最容易做到，TALEN困難一些，ZFN卻很困難。

　　構(gòu)造3種編輯工具的工作非常繁瑣，盡管CRISPR相對簡單，但是很多研究團隊還是希望這種工具“拿來就用”。

　　為此，專門有研究團隊將酶的部件轉(zhuǎn)變成“模塊”，按需“組裝”就能獲得識別特定DNA序列的編輯工具。例如，通過研究者長期的努力，識別每一種三聯(lián)堿基的64種鋅指組合中已有大部分被發(fā)現(xiàn)并編撰成目錄，這些相關(guān)數(shù)據(jù)也都能夠在公共的數(shù)據(jù)庫或者文獻中被檢索到。

　　也就是說，針對要編輯的不同基因，這3種方法都必須進行“定制”才能“服務(wù)”，而隨著基因編輯技術(shù)的研究不斷深入，公共技術(shù)平臺將積累起越來越多的共性研究，“定制化”將變得越來越簡單。應(yīng)用門檻的降低，勢必會帶來市場規(guī)模的進一步擴大。

　　輕松導(dǎo)航，占據(jù)市場最大份額

　　盡管“定制服務(wù)”簡易化是趨勢，但是定制CRISPR的簡便是與生俱來的，因為它由RNA做“向?qū)А保cDNA的“親近”程度比蛋白質(zhì)更近一步。

　　一篇《基因編輯，別忘了還有ZFN和TALEN》的文章去年7月發(fā)表在生物技術(shù)專業(yè)網(wǎng)站生物通上，一個“還”字，讓CRISPR這種基因編輯技術(shù)的火爆不言自明。CRISPR設(shè)計操作簡便的優(yōu)勢，讓其出現(xiàn)最晚，卻應(yīng)用最廣。

　　“向?qū)NA的合成非常容易，只要確定序列，按照序列互補性原則合成就可以?！敝x震說，“但是蛋白質(zhì)與DNA的作用，不存在‘互補’這樣明確的關(guān)系，要合成用于向?qū)У牡鞍踪|(zhì)區(qū)域，需要一整套流程，包括預(yù)測、驗證等?！?/span>

　　謝震解釋，這方面TALEN相對容易一些，根據(jù)已有的TALEN蛋白結(jié)合DNA的特性，可以幫助設(shè)計出與特定DNA序列結(jié)合的蛋白，ZFN是“定制服務(wù)”中最復(fù)雜的。

　　正因為CRISPR靈活的“轉(zhuǎn)場”能力，它在各個領(lǐng)域的基因編輯中獲得了廣泛應(yīng)用。分析報告中指出，CRISPR有望占據(jù)全球市場的最大份額。

　　這也致使ZFN技術(shù)的擁有者Sangamo生物技術(shù)公司老總“酸葡萄”般地表示，CRISPR盡管效率高，但在“精確度”上不及ZFN，不能用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2017年，該公司組織實施了第一例人體基因改造治療的臨床試驗，向血液內(nèi)注入基因編輯工具ZFN，以期治療亨特氏綜合征。

　　事實上，CRISPR技術(shù)也已開始在醫(yī)學(xué)診斷和治療方面開展臨床試驗。2016年，我國四川大學(xué)華西醫(yī)院就用CRISPR技術(shù)刪除了肺癌患者免疫細胞中的PD-1蛋白基因，再將基因編輯后的免疫細胞重新注入患者血液中，期望治療癌癥。

　　“可以通過對蛋白質(zhì)性質(zhì)的微調(diào)，提高核酸酶的識別能力?！敝x震表示，很多提高CRISPR精確度的研究工作正在進行，2016年，謝震團隊就在《自然》子刊上發(fā)表論文稱，他們通過在哺乳動物細胞中合理拆分Cas9蛋白，利用多輸入合成基因線路感知不同分子信號，實現(xiàn)了在不同類型細胞中對Cas9/dCas9活性的精確調(diào)控，為精確控制CRISPR/Cas9基因編輯工具提供了新的策略。

　　技術(shù)進步，精確度再刷新

　　“之前是剪刀將雙鏈剪斷后，仰仗細胞的自我修復(fù)能力以及修補的DNA模板修補基因。現(xiàn)在不剪斷，直接讓堿基變身。”《科學(xué)》雜志2017十大突破中的堿基編輯器，是哈佛大學(xué)團隊對CRISPR技術(shù)的改進，通過核心組件——“酶”的變化實現(xiàn)了編輯功能上的進步。謝震解釋稱：“原來的Cas9酶的活性喪失了，結(jié)合上沒有‘剪刀’能力，但與其他蛋白融合能變成使單個堿基突變的酶?！?/span>

　　“最開始他們在自然界找到了這種能定向突變C-T堿基的酶，后來他們自己造了另一種能夠定向突變A-G堿基的酶?！敝x震說，“目前要解決的是準(zhǔn)確性問題，如果在特定區(qū)域存在多個重復(fù)的堿基，要突變哪一個是需要確定的事。例如把目標(biāo)位點5個堿基以內(nèi)的A全部突變掉，需要精確到單個堿基。”

　　據(jù)報道，基因組編輯技術(shù)主要應(yīng)用在細胞系改造、遺傳工程、診斷和治療等方面。目前細胞系改造占最大份額，基因編輯干細胞療法的研究認知度高?！盎蚓庉嫺褚环N底層技術(shù)，是實現(xiàn)功能或者產(chǎn)品的渠道和方法，期待它的產(chǎn)品能夠早日落地?！敝x震說。

　　相關(guān)鏈接

　　三大基因編輯技術(shù)

　　基因編輯是指對基因組進行定點修飾的一項新技術(shù)。利用該技術(shù)，可以精確定位到基因組的某一位點上，在該位點剪斷靶標(biāo)DNA片段并插入新的基因片段。目前主要三大基因編輯技術(shù)：人工核酸酶介導(dǎo)的鋅指核酸酶技術(shù)（ZFN)；轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶技術(shù)（TALEN)；RNA引導(dǎo)的CRISPR-Cas核酸酶技術(shù)。

　　ZFN技術(shù)分兩步完成，對DNA進行特異性切割，形成DNA雙鏈斷裂區(qū)；通過破壞非同源末端鏈接使目的基因失活，或借助同源重組等方式完成DNA的修復(fù)連接，可以使斷裂的DNA雙鏈重新黏合。

　　TALEN技術(shù)的原理并不復(fù)雜，即通過 DNA識別模塊將TALEN元件靶向特異性的DNA位點并結(jié)合，在同一個蛋白上有序地實現(xiàn)引導(dǎo)進入細胞核、靶位點DNA的特異性識別和靶位點DNA的切割這三個不同的功能。

　　CRISPR-Cas技術(shù)使用一段序列特異性向?qū)NA分子（crRNA）引導(dǎo)核酸內(nèi)切酶到靶點處，從而完成基因組的編輯，其編輯基因一般分兩步進行——crRNA的合成及在crRNA引導(dǎo)下的RNA結(jié)合與剪切。