基因编辑技术是什么？

目前基因编辑技术引起了人们的广泛关注。其成功为生物学研究及医学治疗领域带来革命性的变化。关于基因编辑技术，你知道多少？

湖北民族学院生物科学与技术学院朱玉昌等人在汉斯出版社《生物医学》期刊上发表了相关文章。文章就有代表性的几种基因编辑技术的种类、原理及其研究进展进行了综述，并对它们各自的特点及应用前景等方面进行了探讨。基因编辑就是通过对细胞基因组中目的基因的一段核苷酸序列甚至是单个核苷酸进行替换、切除，增加或者是插入外源的DNA序列，使之产生可遗传的改变。与射线或化学诱变剂导致的DNA随机突变不同的是，基因编辑技术是定向改变基因的组成和结构，具有高效、可控和定向操作的特点。

下面就4种有代表性的基因编辑技术进行简单的介绍：

1、同源重组。基于同源重组的基因编辑被称为基因打靶或基因靶向技术。例如依赖大肠杆菌细胞内的RecA或酵母的RAD54重组酶，基因靶向技术可以对目标基因或基因的部分序列进行替换、删除，或在细胞内存在同源序列的情况下插入外源DNA序列。运用同源重组对基因进行编辑的方法已经在微生物、植物和动物中取得了成功。不过，该方法的一个主要局限在于重组频率低，在实践上难以广泛应用。

2、锌指核酸酶。锌指核酸酶是按人工核酸酶是利用IIS 型核酸内切酶特点组件的原理而构建。这种锌指核酸酶就是由一系列锌指结构单元与FokI的核酸酶切活性区域组合而成的。它具有对特定的DNA序列进行识别和切割的能力。FZN对不同DNA序列识别的机理在于组成其锌指蛋白基元(Motif)的种类及排列方式。

研究显示FZN基因编辑效率约为30%，相对于同源重组，其编辑效率无疑具有了质的提高。不过，目前它还存在一些不足，一个突出的问题是所谓的脱靶效应，即合成的核酸酶并没有对预先设定的目标DNA序列进行识别和切割。

3、转录激活子样效应因子核酸酶TALEN(Transcription Activation Like Effector Nuclease)。TALEN也是利用一种对DNA分子特异识别的蛋白结构与FokI的酶切活性结构域组合形成的。TALEN识别模块一般由34个氨基酸组成，其组成的氨基酸除了第12和13位外其余都是保守的，因此第12/13位氨基酸被称为可变的双氨基酸残基，正是这两个氨基酸决定了TALEN结合DNA上核苷酸的种类。TALEN原理简单、并且理论上说对任意的核苷酸序列，都能以它为靶标构建一个特异的TALEN核酸酶。在编辑效率方面，TALEN也还没有达到理想的程度。

4、规律性间隔的短回文序列重复簇(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-Associated Proteins ,CRISPR)。CRISPR目前还没有较为统一的中文名称，这里朱玉昌等人将其译为“规律性间隔的短回文序列重复簇”。CRISPR是一组被一些长度与重复序列类似(32bp)的但彼此不同的间隔序列(spacer)分开的重复序列。研究发现，CRISPR和Cas核酸酶被发现与细菌的适应性免疫有关。研究显示CRISPR-Cas系统的种类及组成成分较多，但一个来自产脓链球菌、由Cas9蛋白组成的CRISPR系统只有三个必须的组成部分，即tracrRNA，CrRNA和Cas9核酸酶。根据Jiang等人的研究，CRISPR/Cas9系统发挥作用的基本过程可分为三个阶段，即间隔序列获得期、CRISPR/Cas表达期和DNA干扰期。CRISPR技术在生物学和医学上有巨大的应用潜力。

对比人工核酸酶和CRISPR/Cas9系统可以发现，CRISPR/Cas9的优势主要体现在两个方面：一是用于基因敲除的CRISPR载体构建极其简单，只需要根据推荐的序列合成spacer并将其整合进载体，就完成了基因编辑载体体外的操作过程；二是CRISPR/Cas9与DNA靶序列结合有更高的特异性，原因是FZN和TALEN对靶DNA的识别是依靠蛋白质与DNA的相互作用，其特异性相对较低；而CRISPR/Cas9系统对DNA序列的识别则是RNA和DNA按照碱基互补配对原则进行的，因此特异性更高。基因编辑技术的飞速发展为基因功能研究工作提供了更多有力的工具。可以预见的是，基因编辑技术将给生命科学和医学领域带来难以估量的重要影响。