基因编辑的论文发表时间

线粒体里面有部分独立的基因，虽然这些基因可以自己编辑，但是线粒体的很多活动还是受细胞核控制的，如果没有细胞核的调控，线粒体存在不了多久。线粒体基因自我调控和治病是没多大关系的吧。

线粒体基因真的能够编辑了。线粒体当中虽然蛋白质的种类并不多，但是基因的编辑说明在这方面已经有了充分的突破，距离治疗疾病已经为时不远，可能就在近几年之内就可以有送达突破。

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CRISPR/Cas系统是细菌和古菌特有的一种天然防御系统，用于抵抗病毒或外源性质粒的侵害。当外源基因入侵时，该防御系统的 CRISPR 序列会表达与入侵基因组序列相识别的 RNA，然后 CRISPR 相关酶(Cas)在序列识别处切割外源基因组DNA，从而达到防御目的。

根据Cas蛋白的特点，可将CRISPR/Cas系统分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型和Ⅲ型系统需要借助复杂的蛋白复合体发挥作用，Ⅱ型系统仅借助 Cas9蛋白和sgRNA即可对靶目标进行编辑，结构简单，操作容易，因此目前主要使用Ⅱ型CRISPR/Cas9 系统。

CRISPR/Cas自诞生以来，迅速发展，已经成为生命科学领域最耀眼、最有前景的技术。尤其是近两年，在全世界科学家的共同努力下，CRISPR/Cas相关新进展新突破不断涌现。

一、基因编辑技术的发展史

基因编辑可以分为三代，第一代：ZFN；第二代：TELEN；第三代：CRISPR/Cas。这三个基因编辑技术都利用了DNA修复机制，所以我们先来了解一下DNA修复机制（ 图1 ）。[图片上传失败...(image-8dab49-1625385468208)]

图1-NHEJ修复（左），HDR修复（右）

NHEJ（Non-homologous end joining）

非同源性末端接合

NHEJ修复机制不需要任何模版，修复蛋白直接将双股裂断的DNA末端彼此拉近，在DNA连接酶的帮助下重新接合（ 图1 ）。

HDR（Homology directed repair）

同源重组修复

当细胞核内存在与损伤DNA同源的DNA片段时，HDR才能发生。

NHEJ的机制简单又不依靠模版，因而NHEJ的活性相对于HDR高出许多。但NHEJ修复出错的概率较高，容易造成移码突变等，基因编辑正是利用了这一点（ 图1 ）。

1.ZFN的识别切割机制

融合锌指模块和FokI切割结构域形成ZFN ；以二聚体的形式靶向切割每个锌指结构；特异识别3个碱基 ；组装多个锌指结构(识别12-18bp)形成的ZFN对可特异切割基因组靶点 （ 图2 ）。

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图2-ZFN基因编辑原理图

2.TALEN的识别切割机制

两个TALE靶向识别靶点两侧的序列；每个TALE融合一个FokI内切酶结构域；FokI通过TALE靶向形成二聚体切割靶点；设计灵活识别特异性强（ 图3 ）。

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图3-TELEN基因编辑原理图

3.CRISPR/Cas9的识别切割机制

crRNA通过碱基配对与 tracrRNA结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物，此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA（ 图4 ）。

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图4-CRISPR/Cas9基因编辑原理图

ZFN、TELEN、CRISPR/Cas9比较

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图5-三种基因编辑的比较

二、CRISPR/Cas技术的介绍

CRISPR/Cas9 系统的发现

1987年，在大肠杆菌的基因组中首次发现了一个特殊的重复间隔序列——CRISPR序列，随后，在其他细菌和古菌中也发现了这一特殊序列。

2005年，发现这些CRISPR序列和噬菌体的基因序列匹配度很高，说明CRISPR 可能参与了微生物的免疫防御。

2011年，CRISPR/Cas系统的分子机制被揭示：当病毒首次入侵时，细菌会将外源基因的一段序列整合到自身的CRISPR的间隔区；病毒二次入侵时，CRISPR 转录生成 前体crRNA (pre-crRNA)， pre-crRNA 经过加工形成含有与外源基因匹配序列的crRNA，该crRNA与病毒基因组的同源序列识别后，介导 Cas 蛋白结合并切割，从而保护自身免受入侵。

2013年，发现CRISPR/Cas9系统可高效地编辑基因组。随后张锋等使用CRISPR系统成功的在人类细胞和小鼠细胞中实现了基因编辑。

从此开始，CRISPR/Cas9技术给生命科学领域带来了巨大冲击，CRISPR/Cas9相关研究成果频频登上CNS等顶级期刊，近两年更是成为诺贝尔奖热门候选。

CRISPR/Cas技术的原理

CRISPR/Cas9系统的工作原理是 crRNA（ CRISPR-derived RNA ）通过碱基配对与 tracrRNA（trans-activating RNA ）结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物，此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA。而通过人工设计 crRNA 和 tracrRNA 这两种 RNA，改造成具有引导作用的sgRNA （single guide RNA ），从而引导 Cas9 对 DNA 的定点切割（图4）。

CRISPR/Cas技术的优势

设计简单，简明的碱基互补设计原则，识别不受基因组甲基化影响，能靶向几乎任意细胞任意序列，方便同时靶向多个靶点，切割效率高。

三、CRISPR/Cas的脱靶效应

PAM**** (Protospacer adjacent motif )

前间区序列邻近基序

PAM序列区是CRISPR/Cas9系统行使切割功能的基本条件。如果靶序列 3′端没有PAM序列，即使靶序列与sgRNA序列完全匹配，Cas9蛋白也不会切割该序列位点。 PAM序列主要影响CRISPR/Cas9的DNA切割效率。在细胞水平上，NGG介导的切割效率是最高的。

sgR****NA ****(Single guide RNA )

向导 RNA

sgRNA与目标基因组相结合的 20nt 序列区决定着 CRISPR/Cas 系统的靶向特异性。CRISPR/Cas9与靶位点识别的特异性其实主要依赖于sgRNA与靠近PAM区的10~12 bp的碱基配对，而其余远离PAM序列 8~10 bp 碱基的错配对靶位点识别的影响并不明显。目前研究结果均提示，可能靠近 PAM 的 8~14 bp 序列是决定特异性的关键，其他序列也均在不同程度上影响脱靶效应。

CRISPR/Cas9的脱靶效应给研究带来了一定程度上的不确定性，也是限制其发挥更大潜力的主要原因之一。

2017年5月30日， Nature 杂志子刊 Nature Methods 刊登了美国哥伦比亚大学研究人员的一篇文章，研究人员通过CRISPR/Cas9成功修复了导致小鼠失明的基因后，对小鼠进行全基因测序，发现修复后的小鼠基因组有超过1500个单核苷酸突变，以及超过100个位点发生大片段插入或缺失（ 图6 ）。文章的结论无疑引发了巨大震动，也给正在进行中的CRISPR/Cas9带来了不确定性。

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图6--动物体内实验中CRISPR/Cas9编辑后发生意想不到的突变

仔细分析后，发现该文章并不十分严谨，文章仅有两只小鼠作为实验组，一只作为对照组，数量不足以证明结论是否只是个例。而且单碱基突变是生物体内自然现象，不能全归于CRISPR/Cas9。整个实验只基于一个sgRNA数据，且该sgRNA特异性评分很低，造成脱靶效应也应该在预料之中（ 图7 ）。

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图7--针对 Nature Methods 文章的回应

经过一系列的研究和改进，目前CRISPR系统的脱靶性已经很低，当然，要想达到理想的状态，还有很长的路要走。

四、CRISPR/Cas技术的进展

2016年6月，张锋在 Science 发表文章，发现CRISPR/Cas13a能有切割细菌的特定RNA序列。

2016年9月，Jennifer Doudna在 Nature 发表文章，证实CRISPR/Cas13a可以用于RNA检测。

2017年2月22日，美国纪念斯隆.凯特林癌症中心（MSK）研究人员在 Nature 杂志发文，使用腺相关病毒（AAV）介导，将CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于CAR-T疗法。该研究既解决了传统CAR-T疗法的随机整合可能存在的潜在危害，又大大降低了CAR-T细胞发生分化或癌化的风险，赋予了CAR-T技术全新的高效性、稳定性、安全性。

2017年8月2日，Shoukhrat Mitalipov在 Nature 发表长文，使用CRISPR/Cas9技术修正了植入子宫前的人类胚胎中一种和遗传性心脏病有关的变异。该研究证实了通过编辑人类胚胎进行治疗遗传病是安全可行的。值得一提的是，该成果受到了基因编辑领域大牛George Church等人的质疑。

2017年8月11日，杨璐菡等在 Science 发表文章，通过CRISPR/Cas9技术敲除猪基因组中的内源逆转录病毒（PERV）序列，并克隆出多只PERV失活小猪。向最终实现使用猪器官进行人体器官移植的终极目标迈进了一大步。

2017年9月，杂交水稻之父”袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技术敲除与镉吸收和积累相关基因的水稻育种成功。该研究从根本上解决了水稻镉污染的问题，将扭转我国部分农作物重金属超标的问题，进而改善部分人群重金属慢性中毒的问题。

2017年10月4日，张锋在 Nature 发表论文证实CRISPR/Cas13a能够在哺乳动物细胞中编辑特定的RNA。CRISPR/Cas13a能够达到RNAi相似的降低基因表达的效率，而且有更强的特异性，且对细胞内天然的转录后调控网络的影响更小。

2017年10月19日，Jennifer Doudna在 Nature 发表文章，设计了高精确性的Cas9变体—HypaCas9。该研究极大地降低了Cas9的脱靶效应，且不降低靶向切割效率。

2017年10月25日，张锋在 Science 发表文章介绍CRISPR新系统--REPAIR，可以高效的进行RNA的单碱基修复。因为不改变DNA序列，所以为通过基因编辑治疗遗传病而又不永久影响基因组提供了新可能。

2017年10月25日，哈佛大学Broad研究所的David Liu实验室在 Nature 发表长文，报道了新型腺嘌呤基因编辑器——ecTadA-dCas9，可以将A·T碱基对转换成G·C碱基对，该技术首次实现了不依赖DNA断裂即可进行基因编辑的技术，即单碱基基因编辑技术。该技术高于其它基因组编辑方法的效率，且几乎没有随机插入、删除或其它突变等不良副作用，因此为今后大范围治疗点突变遗传疾病提供了极大的便利。

五****、展望

近几年CRISPR/Cas基因编辑技术飞速发展，推广应用到了生物、医学、农业以及环境等多个领域，造就了一批批科研奇迹，尤其是在遗传病的治疗、疾病相关基因的筛查与检测、肿瘤治疗以及动植物的改造、病原微生物防治等领域有着巨大的潜力，也将深远地影响整个世界。

特别感谢：BioArt主编给予的帮助和意见以及吉满生物吴晨提供图1-图5的图片。

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革命性技术“钱”景无限

2022年2月、3月间，一则 科技 界新闻被国内 科技 媒体广泛报道：美国专利和商标局（USPTO）裁定CRISPR-Cas9基因编辑技术专利属于美国哈佛和麻省理工学院博德研究所的张锋团队，而不是加州大学伯克利分校。

华人科学家张锋

CRISPR-Cas9是第三代基因编辑技术，短短几年内，风靡全球，是现有基因编辑和基因修饰里面效率最高、最简便、成本最低、最容易上手的技术之一，成为当今最主流的基因编辑系统。

2012年8月17日，加州大学伯克利分校化学家詹妮弗·杜德纳和德国马普感染生物学研究所教授埃玛纽埃勒·沙尔庞捷在一篇里程碑式的论文中概述了这项技术，成功解析了CRISPR-Cas9基因编辑的工作原理，这两位女科学家因此分享了2020年的诺贝尔化学奖。

2013年2月15日，张锋团队在美国《科学》杂志发表了论文，揭示了他们首次在体外将CRISPR/Cas9基因编辑技术对小鼠和人类细胞的特定基因完成了精确的切割，意味着将该技术改进并应用于哺乳动物和人类细胞。

基因编辑三巨头

自此，近年来生命科学领域最耀眼的技术正式宣告诞生，詹妮弗·杜德纳、埃玛纽埃勒·沙尔庞捷、张锋三人，也被人们称为CRISPR基因编辑三巨头。

革命性技术的出现，背后蕴藏着巨大的商机和市场。以杜德纳和沙尔庞捷为一方，背后是加州大学伯克利分校，以张锋为另一方，背后是哈佛和麻省理工，开始争夺这块价值数百亿美元的大蛋糕。

美国科学界的华裔“天才”

张锋，1982年出生在石家庄，11岁时，随母亲离开中国来到美国爱荷华州得梅因市（DesMoines）定居。他的辉煌履历简述如下：美国麻省理工学院 历史 上最年轻的华人终身教授（比钱学森先生获得MIT终身教职时还要小一岁），麻省剑桥博德研究所（隶属于麻省理工学院和哈佛大学）最年轻的实验室主任；被《自然》杂志评选为2013年年度十大科学人物之一；2016年10月登上《时代周刊》封面，被称为“下一代领导世界的人”；是美国人文与科学学院院士和美国国家医学科学院院士。

在遗传学和神经科学领域，张锋对两种革命性技术的发展做出了重要贡献。当他还是研究生时，他是光遗传学研究团队里的关键成员之一。这项技术为最终理解大脑如何工作，如何产生意识和 情感 ，又如何在神经退行性疾病中发生故障提供了阿拉丁神灯一般的强有力工具。

仅仅几年之后，张锋做出了另一项让他跻身于世界顶尖生物学家的工作：如何快速、简便且有效地编辑植物和动物、包括人类在内的基因组。这就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9基因编辑技术。

这项“基因魔剪”技术关乎一切生命体，包括动物、植物、微生物的基因，因此，它的前景似乎是任由人类想象。除了利润丰厚的生物制药领域，在农业中，CRISPR就可以用于作物育种、害虫治理、特色农产品的生产等等，也可以用来生产乳制品发酵中抵御噬菌体的材料，在新冠疫情中，也有基于CRISPR的新冠病毒诊断试剂盒获批……

张锋不愧为美国科学界的华裔“天才”。

打开成功之门的“捷径”

通过美国医疗 科技 媒体STAT关于张锋的报道，我们可以一窥张锋的成长之路。

11岁时，张锋随母亲来到美国。刚从中国来到美国，他的母亲起初靠干一些粗活，比如在一个 汽车 旅馆做保洁来养家糊口--尽管她是一位计算机工程师。张锋的父亲是中国某 科技 大学的一位行政人员，有几年的时间并没有和他们一起在美国生活。

因为一场电影，张锋的人生从此开始改变。

1993年，身在美国的张锋看到了《侏罗纪公园》，在他心里种下了一颗种子，1993年，身在国内的你在做什么

在张锋生活的爱荷华州得梅因市，中学的生物课还停留在解剖泡在福尔马林里的青蛙的阶段。而张锋却幸运地参加了一个分子生物学的“周六提高计划”。那里的指导老师很聪明，他们发现，让一群孩子全心投入的一个明智选择就是给他们看电影《侏罗纪公园》。父母从事计算机科学的背景，让张锋对编程很感兴趣，而这部1993年播出的科幻电影，则在张锋的心里种下一颗种子。他意识到，一个有机体的遗传指令可以被改写，由此改变它的特性，就像父母编写计算机代码一样。

1995年，张锋得到了第一个对活体生物DNA进行编程的机会，他那时已经高中二年级的学生。学校当时有一个“天才学生项目”，负责老师问张锋是否愿意课后去学校附近的卫理公会医院一个基因治疗实验室当志愿者。张锋回忆，那时他关于现代生物学的知识几乎为零，但实验室主任约翰·利维博士并不介意他是个“小白”。

每天下午，利维博士会坐在他的休息室，一边喝茶一边在白板上板书，解释有关分子生物学的一些概念。张锋很快就学会了关键技术，并在他的热身项目中取得成功：使用病毒将水母中的绿色荧光蛋白基因移动到人的黑色素瘤细胞中，而绿色荧光蛋白是可以在黑暗中发出荧光的。

这虽然不是复活恐龙，但张锋已经在编辑一个物种的细胞。这一年剩下的时间里，张锋研究荧光蛋白能否保护DNA免受紫外辐射的伤害，这种荧光蛋白能够吸收可能致癌的紫外辐射。他发现荧光蛋白可以做到，这一实验成为张锋参加爱荷华州科学展览的项目，吸引了很多“像我这样的孩子”，张锋回忆道，“我们都是怪才（geeky）”。

高三那年，张锋在利维的指导下使用病毒做了另外一个遗传学项目，这个项目让他于2000年获得英特尔科学天才奖（Intel Science Talent Search），并获得5万美元的奖学金。

“这个项目让我滋生了治疗艾滋病的宏大想法。”张锋说。这不是一个高中生能够做到的事情，而且一个高中生也没有条件去推进荧光蛋白的工作，试验阻止紫外光能否预防黑色素瘤。但他在这个过程中学习到了宝贵的一课：有趣的科学发现往往得不出什么结果。

从张锋在高中的经历可以看出，他在中学时期，就已经开启了生物学研究的大门。而此时在他的出生地——中国，他的同龄人正在全力以赴准备高考，为应试教育的最后冲刺做着无以复加的准备。当张锋在慢慢走进科学研究大门、获得英特尔科学天才奖的时候，中国的高中生们还在日以继夜的刷题，准备着一场场模拟考试。

应试教育还是应社教育

张锋的成功带给我们的思考

张锋在基因治疗实验室当志愿者的时候，常常晚归，他的母亲需要在车子里等好几个小时。一个秋天的傍晚，夜幕逐渐降临，驱车回家的途中，他们看到落叶纷扬飘零的一幕。母子俩被眼前的景色所触动，叶子在短短几个月的时间内就会死去或处于垂死的边缘。他们聊到一个人的时间是多么有限，母亲回忆道，一个生命是多么容易就了无痕迹地从这个世界消失。

"尽我所能，有所作为，对我来说似乎很重要。"张锋说。

从张锋到目前的人生经验，特别是他移民美国至今的成绩，似乎可以对应“因我所能，有所作为”这八个字。但张锋的成功，能带给我们什么思考？

是应社教育和应试教育理念的不同。

在应试教育的理念中，决定人生命运的考试，是最重要的节点。小升初，中考，高考。 应社教育的思路，就是尽量早的找到，比如在中学阶段就找到合适个人发展的几条备选赛道，及早去接触、尝试、准备，为自己在将来进入 社会 、进入职场，无论是做公职人员、做科研或者其他职业提前准备。

再回到张锋的例子。

张锋到美国之前，接受的是国内经典的应试教育。到美国后，接受了当地的中学教育。

但他作为新移民的一员，其成长远远快于其他人。原因何在？

一个关键就是他通过学校的“天才学生项目”，获得到卫理公会医院一个基因治疗实验室当志愿者的机会。一个中学生，就这样敲开了科学研究的大门，并凭借自己的聪明才智，获得英特尔科学天才奖（Intel Science Talent Search），让他的科研之路有了新的起点。

想想张锋在国内的同学们，同样的年纪，同样的年份，那时候在干嘛。张锋在研究荧光蛋白，他们在每天上早自习、晚自习，在做试卷。张锋获得英特尔科学天才奖并获得5万美元的奖学金，早早选定自己人生道路的时候，他们在为即将到来的高考，和要报哪所学校、哪个专业挠头。当张锋进入大学、开启加速人生时，他们有的还处于刚进大学的迷茫期，有的可能因为成绩不理想而正在复读……

人生的分水岭就此产生。

考虑到每个人的天分、性格、兴趣，以及家庭教育和背景，“最”适合自己发展的人生赛道不会太多。应社教育的思路，就是在中学阶段就找到合适个人发展的几条备选赛道，及早去接触和尝试。赛道的规划，是以人的整个职业生涯来规划，而不仅仅是围绕在高考、考研、毕业求职这样的重大节点。只有早一点找到适合自己发展的道路，才能在进入 社会 和职场后，占得先发优势，并不断维持这种优势。张锋就是这种模式的经典例子。

为普通家庭的普通孩子，提供更多这样的机会，不仅是为了发掘出更多张锋式的杰出科学家，也是为了让作为普通家庭的孩子，可以在人生之路上走的更加平顺。