基因編輯技術(shù)是一種能夠?qū)ι�物體基因組進(jìn)行精確修飾的強(qiáng)大工具。它允許科學(xué)家們?cè)诨�因組水平上對(duì)DNA序列進(jìn)行定點(diǎn)改造，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因功能的研究、疾病的治療以及生物性狀的改良等多種目的。

1. 基因編輯技術(shù)的應(yīng)用

疾病治療：

治愈遺傳疾�。涸S多遺傳疾病是由基因突變引起的，基因編輯技術(shù)可以精準(zhǔn)地修復(fù)這些突變，為患有遺傳性疾病如血友病、杜氏肌營養(yǎng)不良癥等的患者帶來治愈的希望。

對(duì)抗癌癥：通過編輯免疫細(xì)胞，增強(qiáng)其對(duì)腫瘤細(xì)胞的識(shí)別和攻擊能力，提高癌癥治療的效果。例如，CAR-T細(xì)胞療法就是一種基于基因編輯技術(shù)的癌癥治療方法。

防治傳染�。嚎梢詫�(duì)人體細(xì)胞進(jìn)行編輯，使其對(duì)某些傳染病病毒具有更強(qiáng)的抵抗力，從而降低感染風(fēng)險(xiǎn)。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用：

提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量：通過編輯農(nóng)作物的基因，增強(qiáng)其抗病蟲害、抗逆性（如干旱、鹽堿等）的能力，同時(shí)提高農(nóng)作物的營養(yǎng)價(jià)值和產(chǎn)量。

減少農(nóng)藥和化肥的使用：增強(qiáng)農(nóng)作物自身的防御能力，減少對(duì)化學(xué)農(nóng)藥和化肥的依賴，降低農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的污染。

醫(yī)學(xué)研究：

深入了解疾病機(jī)制：利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)建疾病模型，有助于科學(xué)家更深入地研究疾病的發(fā)病機(jī)制，為開發(fā)新的治療方法提供理論依據(jù)。

藥物研發(fā)：可以更快速地篩選和驗(yàn)證藥物靶點(diǎn)，加速新藥的研發(fā)進(jìn)程。

動(dòng)物模型的構(gòu)建：

研究基因功能：通過對(duì)動(dòng)物基因進(jìn)行編輯，構(gòu)建特定基因缺陷或過表達(dá)的動(dòng)物模型，有助于研究基因的功能和生物學(xué)過程。

測(cè)試藥物療效：為藥物的臨床前研究提供更可靠的動(dòng)物模型，提高藥物研發(fā)的成功率。

環(huán)境保護(hù)：

生物修復(fù)：通過編輯微生物的基因，使其能夠更有效地分解污染物，如石油、重金屬等，有助于環(huán)境的修復(fù)和保護(hù)。

2. 經(jīng)典基因編輯技術(shù)

目前，較為常見的基因編輯技術(shù)包括CRISPR-Cas系統(tǒng)、鋅指核酸酶（ZFN）和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALEN）等。其中，CRISPR-Cas系統(tǒng)是近年來發(fā)展最為迅速且應(yīng)用廣泛的基因編輯技術(shù)。

CRISPR-Cas系統(tǒng)主要由兩部分組成：向?qū)�RNA（gRNA）和Cas蛋白。gRNA能夠通過堿基互補(bǔ)配對(duì)原則識(shí)別特定的DNA序列，引導(dǎo)Cas蛋白對(duì)該序列進(jìn)行切割。細(xì)胞內(nèi)的DNA修復(fù)機(jī)制會(huì)對(duì)切割后的DNA進(jìn)行修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)基因的敲除、插入或替換等操作。是應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)，然而，CRISPR-Cas9 系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，包括脫靶效應(yīng)、潛在的突變風(fēng)險(xiǎn)以及可能導(dǎo)致的染色體異常等。

脫靶效應(yīng)是指 Cas9 酶可能會(huì)靶向到與目標(biāo)位點(diǎn)相似的非預(yù)期基因組位點(diǎn)并進(jìn)行切割，從而引起不必要的基因突變。此外，CRISPR-Cas9 技術(shù)可能導(dǎo)致一些突變。例如，在 DNA 雙鏈斷裂后的修復(fù)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)堿基的插入或缺失，進(jìn)而導(dǎo)致基因的移碼突變或功能喪失。有研究發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9 基因組編輯會(huì)誘導(dǎo)出現(xiàn)百萬堿基規(guī)模的染色體大片段缺失，這種大規(guī)模的堿基缺失可能導(dǎo)致臨床應(yīng)用的嚴(yán)重后果，如造成抑癌基因等重要基因的丟失，從而可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞癌變。

3. 新型基因編輯技術(shù)

為了解決經(jīng)典基因編輯技術(shù)的痛點(diǎn)，近年來科學(xué)家們一直致力與開發(fā)新的基因編輯技術(shù)，以下是一些新型基因編輯技術(shù)匯總：

OMEGA 系統(tǒng)：2021 年 9 月，張鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一類廣泛的轉(zhuǎn)座子編碼的 RNA 引導(dǎo)核酸酶，并將其命名為 OMEGA 系統(tǒng)（包括 IscB、IsrB、Tnp8 等），其中 IscB 可能是 Cas9 的祖先。該系統(tǒng)使用一段 RNA（ωRNA）來指導(dǎo)切割 DNA 雙鏈。這些核酸酶很小，僅為 Cas9 的大約 30%，可能更容易被遞送到細(xì)胞中。

Fanzor 系統(tǒng)：2023 年 6 月，張鋒團(tuán)隊(duì)在真核生物中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè) RNA 引導(dǎo)的 DNA 切割酶——Fanzor。這種新型 CRISPR 樣系統(tǒng)可以在重編程后實(shí)現(xiàn)對(duì)人類基因組的編輯。相比 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，F(xiàn)anzor 系統(tǒng)非常緊湊，更容易遞送到細(xì)胞和組織中，且沒有旁系切割活性，可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的基因組編輯。

“橋”重組酶技術(shù)：《自然》雜志2024年6月26日發(fā)表的兩篇論文描述了這種新的基因組編輯技術(shù)。它利用 RNA 引導(dǎo)可編程重組酶進(jìn)行基因編輯，其中的 RNA 作為“橋”，含有指定供體 DNA 序列的區(qū)域和指定基因組插入位點(diǎn)的區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域能通過獨(dú)立重編程識(shí)別并結(jié)合不同的 DNA 序列或插入位點(diǎn)，并對(duì)不同類型的 DNA 重排使用一種通用機(jī)制。該“橋”RNA 比使用常規(guī)重組酶的現(xiàn)有基因編輯技術(shù)更易修飾。

LEAPER 技術(shù)：由北京大學(xué)魏文勝課題組于 2019 年首次報(bào)道。與傳統(tǒng)的核酸編輯技術(shù)不同，LEAPER 系統(tǒng)僅需在細(xì)胞中表達(dá)向?qū)?RNA（arRNA），即可招募細(xì)胞內(nèi)源脫氨酶 ADAR1 實(shí)現(xiàn)靶向目標(biāo) RNA 的編輯，而不需要引入任何外源效應(yīng)蛋白。這避免了因表達(dá)外源編輯酶或效應(yīng)蛋白而引起的基因組和轉(zhuǎn)錄組上的脫靶效應(yīng)、遞送負(fù)擔(dān)以及相關(guān)免疫原性等問題。

LEAPER 2.0 技術(shù)：是 LEAPER 技術(shù)的升級(jí)版。研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化表達(dá)載體中的啟動(dòng)子增強(qiáng) arRNA 表達(dá)，顯著提升了編輯效率；利用環(huán)化方式設(shè)計(jì)的工程化環(huán)形 arRNA（circ-arRNA），能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的高水平表達(dá)，相比線性版本平均編輯效率提升超過 3 倍，可維持長(zhǎng)達(dá)近半個(gè)月的有效編輯，還可通過腺相關(guān)病毒遞送在人的原代細(xì)胞和類器官中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程的 RNA 編輯。同時(shí)，LEAPER 2.0 消除了一種特別的鄰近堿基脫靶編輯，在安全性和精準(zhǔn)度上大幅提升。

先導(dǎo)編輯（prime editing）：由劉如謙教授團(tuán)隊(duì)于 2019 年開發(fā)。該技術(shù)的核心之一是由 Cas9 蛋白與逆轉(zhuǎn)錄酶融合而成的特殊蛋白，另一個(gè)關(guān)鍵是一種特殊的向?qū)?RNA（pegRNA），它不但能夠結(jié)合特定 DNA 區(qū)域，還自帶“修改模板”。Cas9-逆轉(zhuǎn)錄酶融合蛋白在 pegRNA 的引導(dǎo)下切開 DNA 鏈，然后依據(jù)“修改模板”合成含有正確序列的 DNA，細(xì)胞內(nèi)的 DNA 修復(fù)機(jī)制會(huì)將其整合進(jìn)基因組。

SLEEK 基因編輯技術(shù)：由張鋒聯(lián)合創(chuàng)建的 Editas Medicine 公司開發(fā)。它旨在提高轉(zhuǎn)基因敲入的效率，讓細(xì)胞能夠?qū)Τ晒η萌氲霓D(zhuǎn)基因進(jìn)行自動(dòng)篩選。其特點(diǎn)是在對(duì)細(xì)胞健康必不可少的基因（如 GAPDH 基因）的外顯子中選擇 CRISPR 基因編輯位點(diǎn)并引入轉(zhuǎn)基因，若轉(zhuǎn)基因成功插入，相關(guān)基因和外來轉(zhuǎn)基因可正常表達(dá)，若僅引入基因突變則細(xì)胞會(huì)死亡。該技術(shù)在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、T 細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞中的轉(zhuǎn)基因敲入效率較高，可用于高效導(dǎo)入多個(gè)轉(zhuǎn)基因，或在進(jìn)行多個(gè)基因敲除的同時(shí)導(dǎo)入轉(zhuǎn)基因。

這些新型基因編輯技術(shù)在不同方面具有優(yōu)勢(shì)，為生命科學(xué)研究、疾病治療等領(lǐng)域提供了更多的工具和可能性，但它們也仍在不斷發(fā)展和完善中，其可行性、安全性和有效性還需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。同時(shí)，倫理和社會(huì)考量也至關(guān)重要，以確保技術(shù)的應(yīng)用符合道德和法律標(biāo)準(zhǔn)。