基因编辑技术在农业上的应用

基因编辑技术在农业上的应用

它主要在一些基因工程上应用，所以在这方面的话，一定要注意在在一些转基因的食品当中和作用当中。

基因编辑技术及其应用科普漫谈

DNA是绝大部分生物的遗传信息的储存介质，由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四种核苷酸组成，并且严格遵守A-T,C-G的碱基互补配对原则，DNA链上这四种核苷酸的排列信息就是生物体的主要遗传信息。基因是控制生物性状的基本遗传单位，即一段携带特定遗传信息的DNA序列，主要通过翻译出对应的效用蛋白发挥功能。

图1. DNA的结构示意图（图片来自网络）

基因异常往往导致各种疾病的发生：如在超过50%的人类肿瘤中都能检测到编码p53蛋白的基因的突变（丧失活性）；Rag1等基因的突变会导致重症联合免疫缺，患儿终生不能接触外界空气，只能终生生活在隔绝容器内（图2）。

图2. 终生生活在隔离容器内的美国男孩大卫·维特（图片来自网络）

什么是基因编辑技术？

基因编辑技术是指特异性改变目标基因序列的技术。目前主要的基因编辑技术都是基于如下原理发展而来的：在细胞内利用外源切割复合体特异性识别并切割目的基因序列，在目的基因序列上制造断裂端，这种断裂端随即会被细胞内部的DNA损伤修复系统修复，重新连接起来。在此修复过程中，当有修复模板存在时，细胞会以修复模板为标准进行修复，从而实现对基因序列的特异性改变，即基因编辑（图2）。

图3 基因编辑技术的基本原理示意图

要实现基因编辑，外源切割复合体必须满足两个条件：

① 切割复合体必须可以特异性地识别和结合至目的基因DNA序列上，这是各种基因编辑技术的主要差异所在，也是发展基因编辑技术的最大困难所在；

② 切割复合体必须具有切割DNA，制造断裂端的功能；

基因编辑技术的简要发展历史

自1953年沃森和克里克两位科学家提出DNA的双螺旋结构以来，人们一直都在积极探索着高效便利的基因编辑技术：

上世纪80年代，科学家在小鼠胚胎干细胞中通过基因打靶技术实现了基因编辑（2007年诺贝尔生理医学奖），但此技术在其余细胞内效率极低，应用受到了极大的限制；

上世纪90年代，基于细胞内不同锌指蛋白可特异性识别DNA上3联碱基的特征以及核酸酶FokI二聚化后可以切割DNA的特点，人们通过锌指蛋白偶联Fokl的策略逐渐发展出了一种新的基因编辑技术--锌指蛋白核酸酶技术（Zinc Finger Nucleases, ZFNs）。但此技术专利被公司垄断，且锌指蛋白数量有限，可以识别的DNA序列数量有限，其应用也受到了很大的限制。

随后，基于改造后的植物病原菌中黄单胞菌属的TAL蛋白可以特异性识别DNA中一个碱基的特性，人们又发展出了新的基因组编辑技术--转录激活样因子核酸酶技术（Transcription activator-like effector nucleases, TALENs）。此技术理论上可以实现对任意基因序列的编辑，但其操作过程较为繁琐，一定程度上限制了其应用。

近年来，基于细菌规律成簇的间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR)系统发展而来的新一代基因组编辑技术--CRISPR/Cas9技术，使得基因编辑变得更为简易、高效。值得提出的是，华裔科学家张锋教授对于CRISPR/Cas9技术的发展与应用作出了重要贡献，是目前这一领域的领军人物之一。

基因编辑技术的最新发展

由于目前最为广泛应用的CRISPR/Cas9技术仍然存在着无法对所有基因序列实现编辑、可能错误编辑其余基因、切割复合体中RNA容易降解导致复合体不稳定等一些不足之处，人们主要从以下几个方面优化发展新的基因编辑技术：

1)  优化CRISPR的蛋白序列，使得其可以识别更多的序列，并且能够更为有效地编辑基因序列；

2) 寻找新的具有特异性识别和切割目的基因序列的蛋白。如张锋教授在去年报道的Cpf1，已被证实为一类新的基因编辑工具；而目前引起广泛争议和关注的我国河北科技大学韩春雨教授在今年初报道的NgAgo，如果其真的可以实现细胞内的基因编辑，也是一类新的基因编辑工具，是目前各种基因编辑工具的有效补充；近期，我国南京大学学者又开发了一类新的基因编辑工具—SGN，也引起了学界的广泛关注。

基因编辑技术的应用

随着CRISPR/Cas9等新型基因编辑技术的迅猛发展，基因编辑技术在诸多方面都有着极为广阔而光明的应用前景：

1)  畜牧业和农业方面，现在已经在包括鸡、牛、羊等重要家畜和玉米、水稻、棉花等重要经济作物中实现了基因改造，有效地提高了这些家畜和经济作物的产量和质量；

2)  医疗健康方面，一方面，对于先天性基因突变致病患者，利用基因编辑技术改正突变的基因，可以为这些疾病的彻底根治提供希望。如在2013年，我国科学家上海生化细胞所的李劲松教授就利用CRISPR/Cas9技术治愈了小鼠的白内障遗传疾病。另一方面，基因编辑技术还有望为彻底治愈一些重大疾病的提供希望，如利用基因编辑技术改造艾滋病病毒HIV-1携带者免疫细胞中的CCR5基因，可以使得细胞不再受HIV-1病毒感染，有望成为彻底战胜艾滋病的有力武器。

结语：

迅猛发展的基因编辑技术正在给我们的生活带来巨大的变化，在享受先进科学技术带来的种种福利的同时，我们也必须进一步加强对于基因编辑技术的基础研究以及应用管理，以确保这一先进技术得到正确而有效地应用。

编辑：何郑燕  鲁凡英

（专家：吴剑锋，厦门大学生命科学学院博士，科普中国微平台原创首发）

你如何看待基因编辑技术呢？

什么是基因编辑

顾名思义，“基因编辑”就是指对基因进行修改，实现对特定DNA片段的敲除、插入的基因重组技术。

基因编辑可以追溯到上世纪70年代，CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。

与前两代技术相比，其成本低、制作简便、快捷高效的优点，让它迅速风靡于世界各地的实验室，成为科研、医疗等领域的有效工具。

CRISPR实际上就是一种基因编辑器，是细菌用以保护自身对抗病毒的一个系统，也是一种对付攻击者的基因武器。后来研究者发现，CRISPR可以用来删除、添加、激活或抑制其他生物体的目标基因，这些目标基因包括人、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和农作物细胞内的基因，这也意味着基因编辑器是一种可以广泛使用的生物技术。

基因编辑的应用：

1. 在医学上用于治疗基因遗传病 CRISPR介导的“基因组编辑”技术为在细胞中实现更多的遗传应用打开了一扇大门，可促使科学家及医疗人员更好地了解人类疾病及其潜在疗法。基因编辑可治疗遗传病，尤其是单基因遗传病。

据估计，大概有上百个疾病由单基因突变引起，其中多数属于遗传病。要从根本上解决问题，有时只能通过基因编辑彻底求证治病基因。

目前，CRISPR技术已被应用于治疗血友病、地中海贫血等多种遗传性疾病的细胞研究或动物研究。

2在农业上培育出品质优良的动物植物品种 美国和日本相关机构目前的倾向是CRISPR改造的特定农产品不作为转基因食品进行监管。

3建立不同基因型的动物模型这从第一代基因编辑技术就开始做了。建立不同基因型的动物模型的意义在于，对遗传性疾病，这些基因和疾病之间的关系，这些模型可以给出一个比较确切的答案。

现在基因编辑距离应用于临床还有很长一段距离，比如基因编辑的准确定位，如何避免脱靶；会不会有免疫反应；系统毒性等多方面的问题。

基因能否改变“杂交稻”的遗传特性？

在科学之中，只要我们说到什么“基因编辑”可能大家脑海之中直接就浮现出来关于“不好”的问题，确实“基因编辑”在前段时间具有一个不好的影响，而最新中国科学院在进行水稻研究之中，也利用到了“基因编辑技术”，并且成功克隆出杂交稻种子，这也算是基因编辑技术单独领域的“突破”，可能大家会想到，这种杂交稻种子是否安全，会不会对人类产生什么影响呢，这个暂时没有看到相关的数据。

当然我们不能随时看到“坏处”，并非“基因编辑技术”就不好了，就看利用的领域对不对，不然也不会发展这项技术，这次科学家们就是利用编辑技术，建立了水稻无融合生殖体系，成功克隆出杂交稻种子，令杂交稻性状可以稳定遗传到下一代，也就是让其保持稳定的其中的“优良”部分，这对农业的生产具有很重要的贡献。以前由于杂交种子后代会发生性状分离，无法保持其杂种优势，所以我们每年都要进行新品种的选择问题。

而如今的问题就解决了这个问题，这“无融合生殖”技术不会改变杂交品种的杂合基因型（重点：不会改变），从而实现杂交优势的固定，这有望给农业生产带来一次新的革命，同样也证明了其中的可行性。从这里我们可以看出来并非我们想象的那样，所以说这是相对较好的事情，解决了人类基本的“粮食”问题。在实验之中，科学家们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在春优84中敲除了4个水稻生殖相关基因，使杂交稻产生了无融合生殖性状，并产生了与杂交稻一样的克隆种子。

杂交水稻之父也“袁隆平”表示对该研究成果的祝贺，希望早日将该成果应用到生产中，其实这是稳定了生产的问题，如今，全球气候的变化在科学之中也是个大问题，并且对我们的粮食生产也产生了影响，科学家们的这项研究对粮食问题也可能解决不少，既然已经公布了，我们要相信科学家们说法是没错的，在未来能够解决人类的“吃”问题，也才是科学研究这项技术的关键，这是我国在生产领域之中的一项突破事件，所以大家如果真有疑问可能也会帮助解决的。

至少从实验的角度来看，成功克隆出的杂交稻种子并没有什么“坏现象”，有利于人类的生产力提升，我个人不明确该技术实现之后是否具有其他问题，我相信科学家们也会公布的，这项科学研究的意义是非常的大，能够将缺陷去除，稳定解决粮食问题值得提倡，我们后续也会继续跟进，谢谢大家阅读!