基因编辑技术：进展与挑战
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中国网/中国发展门户网讯 生命科学的迅速发展使得我们从生物遗传信息的“读取”阶段进入到后基因组时代，基因组的“改写”乃至“全新设计”正逐渐成为现实。以设计创造新生命体为目标的合成生物学在此背景下迅速发展，并在医药、制造、能源等领域显现了巨大的应用前景。基因组的从头合成和针对天然基因组的规模改造分属合成基因组学和基因编辑领域，均为当前合成生物学研究的热点。合成基因组学涉及基因组的从头设计、构建和功能表征等，属于自下而上的生物学研究策略；而基因编辑侧重于通过对现有基因组进行删除、替换、插入等分子操作，进而改写遗传信息，属于自上而下的生物学研究策略。以上两者的有机结合将极大地推动生物制造、疾病治疗等领域的革新；同时二者也将为后基因组时代，功能基因组学的研究提供强有力的技术手段。新生命体系的从头设计与合成不仅需要基因组序列的合成、拼接及转移等技术，也需要高效率、低脱靶率的编辑技术以实现在基因组上进行大规模的编辑改造。在不断的探索研究中，基因编辑技术已经从最初依赖细胞自然发生的同源重组，发展到几乎可在任意位点进行的靶向切割，其操作的简易和高效极大地推动了物种遗传改造的发展。基因编辑可为合成生命的进一步改造提供手段，为新物种的创造提供更多的可能性。
基因编辑的原理
基因编辑技术是对生物体 DNA 断裂的现象及其修复机制的应用。作为一种常见的分子生物学事件，在分裂活跃的哺乳动物细胞中，DNA 双链断裂（DNA double-strand breaks，DSBs）每天会发生。DSBs 发生后细胞可以通过多种方式进行修复，包括经典的非同源末端修复（non-homologous end joining，NHEJ），选择性末端修复（alternative end joining，a-EJ），单链退火修复（single-strand annealing，SSA）和同源重组修复（homologous recombination，HR）。HR 可以进行精确无误的修复，但是需要同源模板的存在；NHEJ 则是将很大程度上没有同源性的两个 DNA 末端直接连接实现修复[7]，此过程中，两个末端在大多数情况下都会发生若干核苷酸的缺失，是一种不精确的修复机制。而作为辅助性的修复机制，a-EJ 和 SSA 均需要更大幅度的末端单链切除，这也会导致遗传信息的丢失。基于 DNA 断裂修复的原理，如果在细胞中人为提供特定的同源重组模板，待目标 DNA 自然发生或者人为诱导产生 DSBs，触发同源重组修复，就有机会把特定 DNA 序列进行删除或者插入外源基因。在不提供同源模板的情况下，利用 NHEJ、a-EJ 及 SSA 的不精确修复机制可以实现基因的突变和敲除。传统的基因编辑借助细胞内自然发生的 DSBs 实现靶向整合，达到基因敲除、替换等目的。然而，在真核生物细胞里面，通过自发双链断裂实现目的基因编辑的概率通常低至百万分之一。人为使用化学诱导剂或者辐射处理等方法，或者使用转座子技术也可以实现基因的突变，但是这些突变是随机的，需要后续进行大量的筛选工作来获得所需的基因型。定点基因编辑技术是进行基因功能研究和物种定向改造的优选策略。