基因编辑——擎起“人定胜天”的先进技术

谷峰

（中国农业科学院上海兽医研究所 农业农村部兽用化学药物及制剂学重点实验室，上海200241）

人类，作为地球的主人，利用其聪明才智，推动着科学在不断的进步。在远古时代，我们的祖先茹毛饮血，获得食物的方法主要包括渔猎和采摘自然果蔬。但是在特殊的季节，如酷热的夏天和寒冷的冬天以及阴雨连绵的雨季，获取食物将会成为十分棘手的问题。我们祖先在思考，是否可以将果实种子播种作为作物（今天以水稻、小麦、玉米为代表的粮食作物），这样栽培后可以获得更多的粮食，是否可以将野生的动物驯化为家畜和家禽（今天以猪/马/牛/羊、鸡/鸭/鹅为代表的食品动物）。这些改造自然的过程诞生了人类最原始的大农业：种植业和畜牧业。为了获得高产、优质动植物，育种自然成为人类科学的“第一步”。而发酵业源于人类利用微生物对粮食或果品的作用，制造了酒、醋、酱油等生活品，让人类的餐盘更加“有滋有味”。在疾病面前，人类没有退缩，神农“尝百草”开启了人类同疾病的斗争。 在这些漫漫历史长河中，人类不断地认识自然、敬畏自然和改造自然。而定向的物种改造如同一根“线”，始终贯穿在人类历史长河中。定向育种的本质是人类不断对含有基因组变化的个体进行选育的过程。传统的遗传育种是一个耗时、耗力且耗财的过程，如何更高效地进行物种改造，一直是人类思考的问题。基因作为生命体的主要承载体，高效、特异的编辑基因，以此造福于人类，曾经是人类的“梦想”。“美梦成真”将极大的促进人类改造自然界中物种的能力，包括利用其作为人类疾病的治疗“武器”。今天，作为新兴的技术，基因编辑正在生命领域引发一场技术革命。

在此背景下，《生物技术通报》邀请了一批以年轻人为主的科研团队，推出一期主题为“基因编辑”的专题（包括综述10篇，研究论文5篇）。该专题汇集了多个领域的进展， 分别从医学（含动物）、植物、微生物和技术方法学等方面进行了展示。

白血病是人类最常见的血液系统疾病之一。5-脂氧合酶（5-LO，编码基因为ALOX5）可能是白血病生物标志物或治疗靶点。但目前ALOX5功能及致病机理尚未完全清晰。昆明理工大学撒亚莲团队构建了靶基因为ALOX5的CRISPR/Cas9载体，为后续在白血病中阐明ALOX5功能奠定了基础。糖尿病是常见的代谢病之一，蛋白激酶A（PKA）在促进胰岛β细胞分泌胰岛素中的角色仍然不很清晰，为此，南方医科大学姚新刚团队利用CRISPR/Cas9系统在大鼠胰岛瘤细胞中成功敲除PKA C-α基因，为研究PKA C-α在胰岛β细胞中的功能奠定了基础。上皮钠通道广泛分布于肺泡上皮细胞中，α-ENaC蛋白是上皮钠通道的功能亚基。为了更好地研究α-ENaC蛋白在II型肺泡上皮细胞中的功能，新乡医学院白义春团队利用CRISPR/Cas9成功构建α-ENaC基因敲除的细胞株。进一步阐明α-ENaC对大鼠II型肺泡上皮细胞细胞增殖的调控机制及其它功能奠定了基础。广西师范大学杨柳团队总结了CRISPR技术在生物学与医学中的研究。

动物生物反应器是医药研究的一个重点方向。转基因技术是动物生物反应器的关键基础，河南科技大学董发明团队总结了优化外源基因在动物体内高效表达的相关策略，为以动物基因工程为基础的生物医药研发和动物育种提供了参考。在构建动物疾病模型和大动物育种方面，体细胞核移植技术是动物克隆的核心技术。手工克隆为核移植技术一种，其不仅操作程序简单、不需要显微操作仪、成本较低，还可以提高囊胚率。中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所杨博辉团队对手工克隆的操作细节、表观遗传重编程异常和重编程异常修复等进行了总结与展望，以期更好地将其应用到人类疾病模拟和畜牧生产中。

鳞翅目昆虫种类繁多，遗传多样性极高。家蚕是人类最早养殖的经济昆虫之一，目前家蚕生物反应器也是生物医药方向之一。斜纹夜蛾和棉铃虫是棉花种植中重要的农业昆虫。中国农业科学院农业基因组研究所萧玉涛团队对鳞翅目这三种昆虫对应的基因编辑研究进行了总结，并对应用前景进行了展望。这些为鳞翅目昆虫功能基因组解析与相应的绿色防控提供参考。

水稻作为重要的粮食作物之一，培育改良的香味品质将更符合人们需求，吉林省农业科学院李毅丹团队对水稻中OsBADH2基因进行了编辑，这为水稻品种改良奠定了基础。马铃薯是餐桌上常见蔬菜之一，随着国家实行的马铃薯主粮化战略，人们对于不同的马铃薯的需求更加旺盛。基因编辑技术将大大加快马铃薯的定向育种。云南师范大学龚明团队总结了基因编辑技术在马铃薯育种中的应用，分析了目前存在的问题，并对技术应用进行了展望，这些将为基因编辑技术用于马铃薯定向育种提供借鉴。

谷氨酸棒杆菌是一种具有重要工业应用价值并且安全的底盘微生物，目前被广泛的应用于各种化学品生产，特别是氨基酸的生产。碱基编辑作为新型基因编辑技术，目前在人类细胞、动物、植物和微生物中得到了应用。中国科学院天津工业生物技术研究所王猛团队在谷氨酸棒杆菌中开发了一种单质粒碱基编辑系统，这些为工业微生物基因组改造提供了更多的便利。

CRISPR/Cas9系统除了用于基因定点改造，因其具备特异性切割核酸的能力，也被用于分子检测，由此构建快速、超敏、高特异性的生物传感系统。重庆大学罗阳团队对基于CRISPR/Cas系统的生物传感策略进行了总结，并展望了其未来发展的方向。RNA作为生命体的重要组成， CRISPR/Cas13可以靶向ssRNA，中国科学院植物生理学和生态学研究所李轩团队对该家族的分类以及防御机制进行了综述，介绍了 CRISPR/Cas13 技术的应用及其进展，并对该体系存在的问题进行了分析和展望。

最后需要指出，目前的基因编辑技术并不是完美的，相关的脱靶问题严重限制了CRISPR/Cas9系统的进一步应用，这也是制约其作为临床药物治疗人类疾病的重要瓶颈。中国农业大学的许文涛团队就CRISPR/Cas9系统的脱靶类型、影响因素、降低策略以及脱靶检测技术进行总结。这些将为基因编辑技术在动植物的应用研究和人类遗传病的治疗研究提供参考。

本期专题的推出是在国家抗击新型冠状病毒的特殊时期，基因编辑技术将会在医学、农业、工业中广泛应用，相关的技术革命将为人类的健康（疫苗和有效药物的研发）和高质量的工业/农业产品的生产提供保障。广大科技人员利用以基因编辑技术为主体的先进生物技术将最终会战胜瘟疫，“人定胜天”。