編者按：小小的基因背后隱藏著人類(lèi)身體的無(wú)限奧秘,，隨著科技的發(fā)展,，我們已經(jīng)了解到基因?qū)τ谌祟?lèi)遺傳所起的重要作用。那么,，基因缺陷的人是否可以通過(guò)修改基因使下一輩獲得健康,？基因編輯技術(shù)到底是什么？本文帶你探索基因編輯的奧秘,。

“世界上沒(méi)有完全相同的兩片樹(shù)葉,也沒(méi)有完全相同的兩個(gè)人,。”這句話出自德國(guó)哲學(xué)家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨,。有人是卷發(fā),，有人是直發(fā)；有人是藍(lán)色瞳孔,，有人是棕色瞳孔,；生而為人，為什么大家各不相同呢,？答案來(lái)自基因,。

基因，就是遺傳物質(zhì),，也就是帶有遺傳信息的DNA（脫氧核糖核酸）片段,。DNA是由腺嘌呤（A）、鳥(niǎo)嘌呤（G）,、胞嘧啶（C）,、胸腺嘧啶（T）4種堿基兩兩配對(duì)形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，在我們體內(nèi)會(huì)轉(zhuǎn)錄成RNA（核糖核酸）,，RNA被翻譯成蛋白,，蛋白再經(jīng)加工后就會(huì)起各自相應(yīng)的作用。我們每個(gè)人從父母那里獲得的遺傳物質(zhì)不同,，因此長(zhǎng)得也就各不相同了,。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

基因不僅能決定我們的長(zhǎng)相,，自然界中的各種生命現(xiàn)象也都離不開(kāi)基因的控制，比如水母會(huì)發(fā)光,，珊瑚蟲(chóng)五彩斑斕的顏色,，樹(shù)葉的各種形狀等等。那么如果獲得了讓水母發(fā)光的基因,，是不是也可以讓別的生物發(fā)光呢,？

答案是肯定的,。

水母會(huì)發(fā)光是由于體內(nèi)帶有一段能表達(dá)發(fā)光蛋白的基因，我們通過(guò)一定的手段獲取到這段基因,，再把它裝進(jìn)別的生物體內(nèi),，這種生物就可以發(fā)光了。

這個(gè)過(guò)程就要用到基因編輯,。用這種技術(shù),，不僅可以讓生物體發(fā)光，還能標(biāo)記不同的細(xì)胞,，不同的器官,，不同的神經(jīng)元，使它們呈現(xiàn)不同顏色的光,。就像下圖中,，細(xì)胞能發(fā)綠色的光是因?yàn)椴迦肓艘欢蝸?lái)源于水母的能翻譯成綠色熒光蛋白的GFP基因，線蟲(chóng)能發(fā)紅色的光則是插入了來(lái)源于珊瑚蟲(chóng)的mCherry基因,。這些基因在細(xì)胞和線蟲(chóng)體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯,，行使它們的功能，從而讓細(xì)胞和線蟲(chóng)能夠發(fā)光,。

發(fā)光的細(xì)胞,、線蟲(chóng)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

進(jìn)行基因編輯的方法有許多，傳統(tǒng)的基因編輯方式有鋅指核酸內(nèi)切酶（ZFNs）,，轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（TALENs）,，轉(zhuǎn)座酶，小干擾RNA（siRNA）等,。而在近幾年,，作為當(dāng)今科研所用到的主流基因編輯技術(shù)，“CRISPR”正悄然走進(jìn)我們的生活,。

CRISPR的全稱(chēng)是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats（成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列）,，這種序列需要一個(gè)與它一起作用的蛋白，我們稱(chēng)之為Cas（CRISPR associated）蛋白,。

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

CRISPR/Cas系統(tǒng)發(fā)揮作用需要三個(gè)步驟,，首先,，當(dāng)入侵者首次侵入的時(shí)候，CRISPR系統(tǒng)就會(huì)捕獲一段入侵者的基因序列,，當(dāng)作身份證明,，這樣就可以識(shí)別它了,；接下來(lái)，由Cas1/Cas2將這段捕獲好的序列整合到CRISPR的重復(fù)序列之間,，這段用于識(shí)別身份的序列就叫間隔序列,；最后，這段序列經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生一段段帶身份識(shí)別和引導(dǎo)功能的CRISPR RNA（crRNA）,，能夠找到目標(biāo)入侵者的DNA序列,，通過(guò)與其進(jìn)行識(shí)別互補(bǔ)后，就可以激活Cas9蛋白,，把入侵者的DNA雙鏈切斷,，讓它失去功能。

那么既然是通過(guò)一段序列進(jìn)行識(shí)別的,，就可能存在“認(rèn)錯(cuò)人”的情況,。在很多時(shí)候，Cas9也的確表現(xiàn)出了較高的脫靶率,，也就是在不該切的地方,，隨隨便便就給它來(lái)一刀。因此,，研究如何降低Cas9的脫靶率也是當(dāng)前科學(xué)研究中的熱點(diǎn),。

當(dāng)然,，不僅有針對(duì)DNA進(jìn)行切割的蛋白，也有針對(duì)RNA的,。近幾年剛發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)VI Cas蛋白,，被稱(chēng)為Cas13，它們就是針對(duì)RNA的一類(lèi)蛋白,。原理和Cas9類(lèi)似,，都是通過(guò)一段識(shí)別身份的序列，引導(dǎo)蛋白去進(jìn)行切割,，進(jìn)而進(jìn)行編輯,。

那大家是不是就有疑問(wèn)了，這個(gè)蛋白只是對(duì)DNA進(jìn)行切割,，那么怎么插入我想要讓它表達(dá)的片段呢,？

我們可以看到上面這張圖,，上面的雙線可以看作是我們即將要改造的DNA，下面環(huán)狀的是我們用來(lái)進(jìn)行改造的工具載體，載體中間的紅色色塊則代表我們想要轉(zhuǎn)進(jìn)去的一段基因,，它的兩邊有和改造DNA完全相同的兩段序列（紅色和藍(lán)色線條）,，稱(chēng)之為同源臂。

在將Cas9和工具載體一起轉(zhuǎn)進(jìn)細(xì)胞或注射到受精卵后,，Cas9先對(duì)DNA在特定位置進(jìn)行切割（綠色標(biāo)記處）,，形成DNA雙鏈斷裂（DSB）。然后再把載體連著同源臂這一段也切下來(lái),，目標(biāo)基因兩端紅色和藍(lán)色同源臂與改造DNA相互識(shí)別,，發(fā)現(xiàn)他們竟然是一樣的！那一樣的當(dāng)然可以互補(bǔ)配對(duì)連在一起,。這樣在修復(fù)了DNA斷裂的同時(shí),，也就把目的基因整合在基因組上了。

當(dāng)然，這種編輯方式并不是百分百可以成功的,，有許多因素都可以影響基因整合的效率,，比如細(xì)胞或受精卵的狀態(tài)，分裂時(shí)期,，以及其它很多我們還未知的因素,。

因此，為了確保萬(wàn)無(wú)一失,，在進(jìn)行科研工作的時(shí)候,，都會(huì)同時(shí)注射好幾十個(gè)受精卵，等它們長(zhǎng)成成熟的生物體后進(jìn)行鑒定,，挑選出成功進(jìn)行基因編輯的個(gè)體來(lái)進(jìn)行后續(xù)的研究,。

利用基因編輯，不僅可以表達(dá)一些外源的基因,，也可以在某些情況下，對(duì)單個(gè)堿基突變的基因進(jìn)行修復(fù),，能用來(lái)治療一些疾病,。很多疾病都是由于基因的單堿基突變?cè)斐傻模热玷F貯積癥遺傳性血色病,、阿爾茨海默癥,、乳腺癌等等。

單堿基編輯,，是利用失活的Cas9（dCas9）融合別的蛋白來(lái)行使功能,。主要利用CRISPR/Cas的定位功能，把特定的能進(jìn)行單堿基編輯的蛋白酶帶到需要修復(fù)的位置后,，CRISPR/Cas的任務(wù)就完成了,，剩下的就交給特定功能的蛋白酶,，去進(jìn)行需要的編輯。

講了這么多,，大家也可以發(fā)現(xiàn)基因編輯并不是萬(wàn)無(wú)一失的,，它的研究還有很長(zhǎng)的路要走。也許你認(rèn)為它離你很遠(yuǎn),，但是可能在不久的將來(lái),，許多和基因相關(guān)的疾病，都可以被它攻克,。在科技發(fā)展日新月異的今天,，科學(xué)家們已經(jīng)把無(wú)數(shù)的不可能變?yōu)榭赡埽言S多的未知書(shū)寫(xiě)為知識(shí),，不斷地探索著生物體的無(wú)窮奧秘,。

出品：科普中國(guó)

作者：劉宇慧 同濟(jì)大學(xué)生物學(xué)在讀博士

監(jiān)制：中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì) 光明科普事業(yè)部