精准改造生命密码：基因编辑技术是什么？

从实验室研究到临床应用，基因编辑技术正以惊人的速度改变着我们对生命的理解和干预能力。

基因编辑（Gene Editing）是指通过基因编辑技术对生物体基因组特定目标进行修饰的过程，高效而精准地实现基因插入、缺失或替换，从而改变遗传信息和表现型特征。

这种革命性的生物技术基于多种工具，使科学家能够针对特定的基因序列进行精确的编辑和改变。

01 技术原理与发展历程

基因编辑的核心原理是在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），然后通过细胞自身的修复机制来实现基因修饰。

细胞主要采用两种修复途径：非同源末端连接（NHEJ）和同源定向修复（HDR）。NHEJ直接连接DNA断裂末端，容易引入插入或缺失突变，通常导致基因功能失活；HDR则依赖于模板进行定向修复，可以实现特定位点的精确插入、缺失或碱基置换。

基因编辑技术经历了三代主要发展：第一代锌指核酸酶（ZFN）技术、第二代转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）技术，以及第三代CRISPR/Cas系统。

02 主要基因编辑工具

1）CRISPR/Cas9系统

CRISPR-Cas系统源于细菌和古细菌的适应性免疫系统，用于抵御病毒和质粒DNA的入侵。它由两部分组成：具有导向功能的sgRNA和行使核酸内切酶功能的Cas9蛋白。

sgRNA引导Cas9蛋白到特定DNA序列，Cas9则在指导RNA指定的位置切割DNA，造成双链断裂。

图1 CRISPR/Cas9调控[1]

2）碱基编辑器

碱基编辑器（Base Editor）是CRISPR系统的重要发展，能够在不断裂DNA双链的情况下实现单碱基替换。主要类型包括胞嘧啶碱基编辑器（CBE）、腺嘌呤碱基编辑器（ABE）和糖基化酶碱基编辑器（GBE）。

浙江农林大学桂金山教授团队开发的高效腺嘌呤碱基编辑器pABE8e，搭载了超活跃的TadA8e脱氨酶变体，编辑效率远高于传统系统。

3）先导编辑

先导编辑（Prime Editing）是另一种精确编辑技术，支持靶向点突变、精准插入、精准删除及其各种组合，而不造成DNA双链断裂。这项技术比传统Cas9编辑技术效率更高，副产物更少，脱靶率更低。

03 基因编辑的递送系统

有效的递送系统是基因编辑成功的关键所在。目前主要的递送方法包括：

1）病毒载体系统：如慢病毒、腺相关病毒（AAV）载体，能够感染细胞并实现稳定整合或瞬时表达。

2）非病毒载体系统：包括脂质体转染、电穿孔等方法。

3）纳米颗粒递送系统：如湖北大学马立新教授团队开发的聚合物纳米平台，可同时递送化疗药物和基因编辑工具CRISPR/Cas9核糖核蛋白复合物。

最近出现的CRISPR脂质纳米颗粒球形核酸（LNP-SNAs）相比传统LNPs表现出2-3倍的细胞摄取率，细胞毒性降低，基因转染效率提高。

04 应用领域

1）疾病治疗

基因编辑在遗传病治疗方面展现出巨大潜力，可用于修复或纠正导致遗传疾病的突变基因，如囊性纤维化、遗传性失聪等。

国内已有50多家企业布局基因编辑治疗领域，如锐正基因的ART002产品在治疗杂合子家族性高胆固醇血症的临床试验中，使目标蛋白PCSK9敲除，低密度脂蛋白胆固醇浓度平均降幅达56%。

在癌症治疗方面，基因编辑可用于研究肿瘤抑制基因和肿瘤促进基因，开发新的治疗方法。马立新教授团队开发的纳米系统不仅能高效递送基因编辑药物，还能同时包裹小分子化疗药物，实现化疗与基因治疗的协同作用。

2）农业改良

基因编辑可以用于改良农作物，提高其产量、耐病性和适应性。通过编辑农作物基因组中的关键基因，可以使其具备更好的抗虫性、耐旱性、耐盐性等特性。

浙江农林大学研究团队利用碱基编辑器对杨树纤维素合酶A8（PdCesA8）进行靶向诱变，发现S550G替换能显著提高结晶纤维素含量而不影响植物生长，为林木的精准分子设计育种开辟了新道路。

3）科学研究

基因编辑是研究基因功能的强大工具。通过删除、插入或改变特定基因的序列，科学家可以研究基因对个体发育、生理过程和疾病发展的影响。

05 挑战与伦理考量

尽管基因编辑技术前景广阔，但仍面临一些挑战：脱靶效应：编辑工具可能会在非目标位点进行切割，导致不可预见的突变。递送效率：如何高效、安全地将编辑工具递送到目标细胞和组织仍然是一个重要挑战。免疫反应：外源的编辑组件可能引发免疫反应，影响治疗效果。

伦理问题同样值得关注，特别是关于生殖系编辑和人类胚胎编辑的问题。国际科学界普遍认为应当谨慎对待这类应用，并建立相应的监管框架。

06 未来展望

基因编辑技术正在快速发展，新的工具和方法不断涌现。普林斯顿大学研究人员开发的高效引导编辑器显示了提高编辑效率的新策略。

随着技术的不断进步，基因编辑有望在更多领域发挥重要作用，从治疗遗传疾病到改良农作物，从生物能源生产到科学研究工具。

基因检测与基因编辑、合成生物学、AI数字孪生等技术的深度融合，将推动遗传病治疗进入“一次性治愈”时代，并催生出基因治疗、细胞工厂等全新产业形态。

基因编辑技术正在跨越从实验室到临床应用的壁垒。国内已有50多家企业布局这一领域，多个基因编辑药物已进入临床阶段。随着研发的深入，基因编辑有望为更多疾病提供全新治疗方案。正如专家所言，这个行业正站在生命科学的“奇点时刻”。

参考文献：

[1] Jiang F, Doudna JA. CRISPR-Cas9 Structures and Mechanisms. Annu Rev Biophys. 2017 May 22;46:505-529. doi: 10.1146/annurev-biophys-062215-010822. Epub 2017 Mar 30. PMID: 28375731.

相关产品：

好消息！Absin文献奖励重磅升级！

Absin产品线：

爆款产品：十大试剂盒(mIHC、IHC、凋亡、ELISA、ChIP、Co-IP、TR-FRET、生化检测、残留检测、多因子检测)；细胞培养(类器官试剂盒+基质胶，胎牛血清+培养添加剂+细胞因子)、分化试剂盒；分子(mRNA合成服务+提取试剂盒)；化合物大包装；辅助试剂、耗材/仪器、定制服务(抗体/多肽/蛋白/标记/检测)...

特色产品：鸡胚提取物CEE、B27、N2、霍乱毒素B亚单位CTB、牛脑垂体提取物BPE、百日咳毒素PTX、重组人胰岛素Insulin、人源低密度脂蛋白LDL...

爱必信(上海)生物科技有限公司 联系邮箱：lanwu@univ-bio.com 微信公众号：爱必信生物