新型基因編輯技術(shù)簡介及對比經(jīng)典基因編輯技術(shù)的優(yōu)勢
基因編輯技術(shù)是一種能夠?qū)ι矬w基因組進行精確修飾的強大工具。它允許科學家們在基因組水平上對DNA序列進行定點改造，從而實現(xiàn)對基因功能的研究、疾病的治療以及生物性狀的改良等多種目的。
1. 基因編輯技術(shù)的應用
疾病治療：
治愈遺傳疾�。涸S多遺傳疾病是由基因突變引起的，基因編輯技術(shù)可以精準地修復這些突變，為患有遺傳性疾病如血友病、杜氏肌營養(yǎng)不良癥等的患者帶來治愈的希望。
對抗癌癥：通過編輯免疫細胞，增強其對腫瘤細胞的識別和攻擊能力，提高癌癥治療的效果。例如，CAR-T細胞療法就是一種基于基因編輯技術(shù)的癌癥治療方法。
防治傳染�。嚎梢詫θ梭w細胞進行編輯，使其對某些傳染病病毒具有更強的抵抗力，從而降低感染風險。
農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用：
提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量：通過編輯農(nóng)作物的基因，增強其抗病蟲害、抗逆性（如干旱、鹽堿等）的能力，同時提高農(nóng)作物的營養(yǎng)價值和產(chǎn)量。
減少農(nóng)藥和化肥的使用：增強農(nóng)作物自身的防御能力，減少對化學農(nóng)藥和化肥的依賴，降低農(nóng)業(yè)對環(huán)境的污染。
醫(yī)學研究：
深入了解疾病機制：利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)建疾病模型，有助于科學家更深入地研究疾病的發(fā)病機制，為開發(fā)新的治療方法提供理論依據(jù)。
藥物研發(fā)：可以更快速地篩選和驗證藥物靶點，加速新藥的研發(fā)進程。
動物模型的構(gòu)建：
研究基因功能：通過對動物基因進行編輯，構(gòu)建特定基因缺陷或過表達的動物模型，有助于研究基因的功能和生物學過程。
測試藥物療效：為藥物的臨床前研究提供更可靠的動物模型，提高藥物研發(fā)的成功率。
環(huán)境保護：
生物修復：通過編輯微生物的基因，使其能夠更有效地分解污染物，如石油、重金屬等，有助于環(huán)境的修復和保護。
2. 經(jīng)典基因編輯技術(shù)
目前，較為常見的基因編輯技術(shù)包括CRISPR-Cas系統(tǒng)、鋅指核酸酶（ZFN）和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）等。其中，CRISPR-Cas系統(tǒng)是近年來發(fā)展最為迅速且應用廣泛的基因編輯技術(shù)。
CRISPR-Cas系統(tǒng)主要由兩部分組成：向?qū)NA（gRNA）和Cas蛋白。gRNA能夠通過堿基互補配對原則識別特定的DNA序列，引導Cas蛋白對該序列進行切割。細胞內(nèi)的DNA修復機制會對切割后的DNA進行修復，從而實現(xiàn)基因的敲除、插入或替換等操作。是應用最為廣泛的基因編輯技術(shù)，然而，CRISPR-Cas9 系統(tǒng)也存在一些缺點，包括脫靶效應、潛在的突變風險以及可能導致的染色體異常等。
脫靶效應是指 Cas9 酶可能會靶向到與目標位點相似的非預期基因組位點并進行切割，從而引起不必要的基因突變。此外，CRISPR-Cas9 技術(shù)可能導致一些突變。例如，在 DNA 雙鏈斷裂后的修復過程中，可能會出現(xiàn)堿基的插入或缺失，進而導致基因的移碼突變或功能喪失。有研究發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9 基因組編輯會誘導出現(xiàn)百萬堿基規(guī)模的染色體大片段缺失，這種大規(guī)模的堿基缺失可能導致臨床應用的嚴重后果，如造成抑癌基因等重要基因的丟失，從而可能會導致細胞癌變。
3. 新型基因編輯技術(shù)
為了解決經(jīng)典基因編輯技術(shù)的痛點，近年來科學家們一直致力與開發(fā)新的基因編輯技術(shù)，以下是一些新型基因編輯技術(shù)匯總：
OMEGA 系統(tǒng)：2021 年 9 月，張鋒團隊發(fā)現(xiàn)了一類廣泛的轉(zhuǎn)座子編碼的 RNA 引導核酸酶，并將其命名為 OMEGA 系統(tǒng)（包括 IscB、IsrB、Tnp8 等），其中 IscB 可能是 Cas9 的祖先。該系統(tǒng)使用一段 RNA（ωRNA）來指導切割 DNA 雙鏈。這些核酸酶很小，僅為 Cas9 的大約 30%，可能更容易被遞送到細胞中。
Fanzor 系統(tǒng)：2023 年 6 月，張鋒團隊在真核生物中發(fā)現(xiàn)了第一個 RNA 引導的 DNA 切割酶——Fanzor。這種新型 CRISPR 樣系統(tǒng)可以在重編程后實現(xiàn)對人類基因組的編輯。相比 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，F(xiàn)anzor 系統(tǒng)非常緊湊，更容易遞送到細胞和組織中，且沒有旁系切割活性，可實現(xiàn)更精準的基因組編輯。
“橋”重組酶技術(shù)：《自然》雜志2024年6月26日發(fā)表的兩篇論文描述了這種新的基因組編輯技術(shù)。它利用 RNA 引導可編程重組酶進行基因編輯，其中的 RNA 作為“橋”，含有指定供體 DNA 序列的區(qū)域和指定基因組插入位點的區(qū)域，這兩個區(qū)域能通過獨立重編程識別并結(jié)合不同的 DNA 序列或插入位點，并對不同類型的 DNA 重排使用一種通用機制。該“橋”RNA 比使用常規(guī)重組酶的現(xiàn)有基因編輯技術(shù)更易修飾。
LEAPER 技術(shù)：由北京大學魏文勝課題組于 2019 年首次報道。與傳統(tǒng)的核酸編輯技術(shù)不同，LEAPER 系統(tǒng)僅需在細胞中表達向?qū)?RNA（arRNA），即可招募細胞內(nèi)源脫氨酶 ADAR1 實現(xiàn)靶向目標 RNA 的編輯，而不需要引入任何外源效應蛋白。這避免了因表達外源編輯酶或效應蛋白而引起的基因組和轉(zhuǎn)錄組上的脫靶效應、遞送負擔以及相關(guān)免疫原性等問題。
LEAPER 2.0 技術(shù)：是 LEAPER 技術(shù)的升級版。研究團隊通過優(yōu)化表達載體中的啟動子增強 arRNA 表達，顯著提升了編輯效率；利用環(huán)化方式設(shè)計的工程化環(huán)形 arRNA（circ-arRNA），能夠維持較長時間的高水平表達，相比線性版本平均編輯效率提升超過 3 倍，可維持長達近半個月的有效編輯，還可通過腺相關(guān)病毒遞送在人的原代細胞和類器官中實現(xiàn)長時程的 RNA 編輯。同時，LEAPER 2.0 消除了一種特別的鄰近堿基脫靶編輯，在安全性和精準度上大幅提升。
先導編輯（prime editing）：由劉如謙教授團隊于 2019 年開發(fā)。該技術(shù)的核心之一是由 Cas9 蛋白與逆轉(zhuǎn)錄酶融合而成的特殊蛋白，另一個關(guān)鍵是一種特殊的向?qū)?RNA（pegRNA），它不但能夠結(jié)合特定 DNA 區(qū)域，還自帶“修改模板”。Cas9-逆轉(zhuǎn)錄酶融合蛋白在 pegRNA 的引導下切開 DNA 鏈，然后依據(jù)“修改模板”合成含有正確序列的 DNA，細胞內(nèi)的 DNA 修復機制會將其整合進基因組。
SLEEK 基因編輯技術(shù)：由張鋒聯(lián)合創(chuàng)建的 Editas Medicine 公司開發(fā)。它旨在提高轉(zhuǎn)基因敲入的效率，讓細胞能夠?qū)Τ晒η萌氲霓D(zhuǎn)基因進行自動篩選。其特點是在對細胞健康必不可少的基因（如 GAPDH 基因）的外顯子中選擇 CRISPR 基因編輯位點并引入轉(zhuǎn)基因，若轉(zhuǎn)基因成功插入，相關(guān)基因和外來轉(zhuǎn)基因可正常表達，若僅引入基因突變則細胞會死亡。該技術(shù)在誘導多能干細胞、T 細胞和自然殺傷細胞中的轉(zhuǎn)基因敲入效率較高，可用于高效導入多個轉(zhuǎn)基因，或在進行多個基因敲除的同時導入轉(zhuǎn)基因。
這些新型基因編輯技術(shù)在不同方面具有優(yōu)勢，為生命科學研究、疾病治療等領(lǐng)域提供了更多的工具和可能性，但它們也仍在不斷發(fā)展和完善中，其可行性、安全性和有效性還需要進一步的研究和驗證。同時，倫理和社會考量也至關(guān)重要，以確保技術(shù)的應用符合道德和法律標準。
