基因编辑技术：进展与挑战
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我国基因编辑技术发展面临的挑战与机遇
近年来，我国在基因编辑技术方面取得了瞩目的进展。但是我们要清醒地认识到，目前基因编辑，尤其是 CRISPR/Cas9 相关的核心专利基本都是掌握在其他国家手中。未来基因编辑技术及基因编辑的细胞制品等走向临床应用，以及基因编辑农作物走向市场所产生的巨大利润都会因此而受到重大损失。开发具备自主知识产权的核心技术才有可能在这场生物技术革命中获得发展，包括对现有基因编辑技术的缺陷进行修正，以及通过技术组合等，抢先获得现有基因编辑技术的改进版本和增强版。同时也借助生物信息学手段挖掘潜在的 CRISPR 核酸酶和 DNA 引导的核酸酶等，开发新型基因编辑技术。此外，基因编辑技术，尤其是 CRISPR/Cas 技术已经广泛用于各物种的基因编辑，除了常见的模式生物，如线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠等，还有猪、狗、猴等大型动物，以及水稻、小麦等常见农作物。将现有基因编辑技术拓展到其他生物也是新的突破，尤其对于我国特有的生物资源，其过程往往涉及技术的调整和改进，一方面可以产生新的技术，另一方面可为目标生物的功能基因组研究以及遗传改良提供有效手段。
目前，CRISPR/Cas9 等基因编辑技术已经显示巨大的应用价值，但是其在编辑效率、精确度及脱靶效应等方面，以及其走向临床应用等尚有很多问题需要解决。病毒载体可应用于人类基因治疗，但是其装载容量有限，常规的 Cas9 蛋白过大，不利于使用。一方面可以从自然界寻找更小的 Cas9 蛋白，另一方面可以通过基因工程手段进行适当的删减。而在减少脱靶效应方面，除了上述提到的 CRISPR/Cas9-nickase 和 CRISPR/dCas9-FoKI基因编辑技术，还可以对 Cas9 蛋白本身进行定点突变等来增强其特异性。这些工作充满着挑战性，但也是我们发展的机遇和突破口。
近年来，我国科学家在基因编辑领域取得了长足进展。上述提及常兴课题组和陈佳课题组在碱基编辑技术上的突破，此外，哈尔滨工业大学黄志伟课题组和中国科学院生物物理研究所王艳丽课题组在 Cas/sgRNA 复合物的结构解释上也作出了突出贡献，可为基因编辑原理的理解提供重要参考。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组等则在植物基因编辑上取得重要进展。中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学课题组、昆明理工大学季维智课题组、中国科学院神经科学研究所杨辉课题组等，利用基因编辑技术成功获得多种疾病动物模型。我国在新型基因编辑技术开发上也取得了一定突破，DNA 引导的基因编辑技术有着独特的优势，值得加大投入以解决编辑效率低等问题。
此外，合成生物学作为新近迅速发展的交叉学科，已在生物医药、能源、新材料等领域展现越来越广泛的应用潜力。基因组合成和基因编辑，涉及的操作广度、深度不同，技术体系也不同。但其本质上都是通过遗传改造，获得具有特定功能的生命体，服务科研与生产，二者有机融合是水到渠成的趋势。比如，在合成的基因组中可以引入基因编辑体系，为新生物体进一步改造及应用提供更多的可能性。SCRaMbLE（synthetic chromosome rearrangement and modification byloxP-mediated evolution）是一种快速的染色体重排修饰技术，可以加速生物体的进化，其本质上是一种非定点的诱导型基因编辑技术。生物的进化往往需要漫长的历史过程，难以快速获得具备某类性状的物种。合成生物学可以通过基因组设计，引入特定的功能模块，以获得目标工程细胞；然而，基于目前的成本和技术限制，尽管可以有很多候选基因组设计，想要获得一个大容量合成细胞库并从中筛选获得最优设计的可能性不大。而 SCRaMbLE 是一种潜在的高性价比手段。Sc2.0 计划拟在合成的酵母基因组中插入约 5 000 个 loxPysm 位点。该计划近期发表的系列成果表明，SCRaMbLE 系统可以诱导获得增强型工业用酵母菌株，提目标代谢物的产量等。
当前，首个全人工合成的真核生物——Sc2.0 已经接近完成，更高等生物的全基因组合成也已经提上日程。然而，超大基因组的合成尚有很多挑战。通过基因编辑对现有物种进行局部基因组改造实际为传统基因工程的升级，其不大可能实现全面的基因组改写。就目前而言，基因组合成与基因组编辑的结合将是一个十分具有潜力的研究方向，可解决目前超大基因组从头合成面临的各项困难，为合成基因组学在超大基因组物种基础研究及物种改造中的应用提供可能。这也是我国在合成生物学领域及基因编辑领域可以把握的契机。（作者：卢俊南，中国科学院深圳先进技术研究院 合成生物学研究所 合成基因组学研究中心 深圳市合成基因组学重点实验室；褚鑫，中国科学院重大科技任务局；潘燕平，中国科学院深圳先进技术研究院 合成生物学研究所 定量合成生物学研究中心；陈映羲，中国科学院深圳先进技术研究院 合成生物学研究所 合成基因组学研究中心 深圳市合成基因组学重点实验室；温栾，中国科学院深圳先进技术研究院 合成生物学研究所 合成基因组学研究中心 深圳市合成基因组学重点实验室；戴俊彪，中国科学院深圳先进技术研究院 合成生物学研究所 合成基因组学研究中心 深圳市合成基因组学重点实验室。《中国科学院院刊》供稿）