我國(guó)基因編輯技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

近年來(lái)，我國(guó)在基因編輯技術(shù)方面取得了矚目的進(jìn)展。但是我們要清醒地認(rèn)識(shí)到，目前基因編輯，尤其是?CRISPR/Cas9?相關(guān)的核心專利基本都是掌握在其他國(guó)家手中。未來(lái)基因編輯技術(shù)及基因編輯的細(xì)胞制品等走向臨床應(yīng)用，以及基因編輯農(nóng)作物走向市場(chǎng)所產(chǎn)生的巨大利潤(rùn)都會(huì)因此而受到重大損失。開(kāi)發(fā)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)才有可能在這場(chǎng)生物技術(shù)革命中獲得發(fā)展，包括對(duì)現(xiàn)有基因編輯技術(shù)的缺陷進(jìn)行修正，以及通過(guò)技術(shù)組合等，搶先獲得現(xiàn)有基因編輯技術(shù)的改進(jìn)版本和增強(qiáng)版。同時(shí)也借助生物信息學(xué)手段挖掘潛在的?CRISPR?核酸酶和?DNA?引導(dǎo)的核酸酶等，開(kāi)發(fā)新型基因編輯技術(shù)。此外，基因編輯技術(shù)，尤其是?CRISPR/Cas?技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各物種的基因編輯，除了常見(jiàn)的模式生物，如線蟲(chóng)、果蠅、斑馬魚(yú)、小鼠等，還有豬、狗、猴等大型動(dòng)物，以及水稻、小麥等常見(jiàn)農(nóng)作物。將現(xiàn)有基因編輯技術(shù)拓展到其他生物也是新的突破，尤其對(duì)于我國(guó)特有的生物資源，其過(guò)程往往涉及技術(shù)的調(diào)整和改進(jìn)，一方面可以產(chǎn)生新的技術(shù)，另一方面可為目標(biāo)生物的功能基因組研究以及遺傳改良提供有效手段。

目前，CRISPR/Cas9?等基因編輯技術(shù)已經(jīng)顯示巨大的應(yīng)用價(jià)值，但是其在編輯效率、精確度及脫靶效應(yīng)等方面，以及其走向臨床應(yīng)用等尚有很多問(wèn)題需要解決。病毒載體可應(yīng)用于人類基因治療，但是其裝載容量有限，常規(guī)的?Cas9?蛋白過(guò)大，不利于使用。一方面可以從自然界尋找更小的?Cas9?蛋白，另一方面可以通過(guò)基因工程手段進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減。而在減少脫靶效應(yīng)方面，除了上述提到的?CRISPR/Cas9-nickase?和?CRISPR/dCas9-FoKI基因編輯技術(shù)，還可以對(duì)?Cas9?蛋白本身進(jìn)行定點(diǎn)突變等來(lái)增強(qiáng)其特異性。這些工作充滿著挑戰(zhàn)性，但也是我們發(fā)展的機(jī)遇和突破口。

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家在基因編輯領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。上述提及常興課題組和陳佳課題組在堿基編輯技術(shù)上的突破，此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃志偉課題組和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王艷麗課題組在?Cas/sgRNA?復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解釋上也作出了突出貢獻(xiàn)，可為基因編輯原理的理解提供重要參考。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞課題組等則在植物基因編輯上取得重要進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學(xué)課題組、昆明理工大學(xué)季維智課題組、中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所楊輝課題組等，利用基因編輯技術(shù)成功獲得多種疾病動(dòng)物模型。我國(guó)在新型基因編輯技術(shù)開(kāi)發(fā)上也取得了一定突破，DNA?引導(dǎo)的基因編輯技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，值得加大投入以解決編輯效率低等問(wèn)題。

此外，合成生物學(xué)作為新近迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，已在生物醫(yī)藥、能源、新材料等領(lǐng)域展現(xiàn)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用潛力?；蚪M合成和基因編輯，涉及的操作廣度、深度不同，技術(shù)體系也不同。但其本質(zhì)上都是通過(guò)遺傳改造，獲得具有特定功能的生命體，服務(wù)科研與生產(chǎn)，二者有機(jī)融合是水到渠成的趨勢(shì)。比如，在合成的基因組中可以引入基因編輯體系，為新生物體進(jìn)一步改造及應(yīng)用提供更多的可能性。SCRaMbLE（synthetic chromosome rearrangement and modification byloxP-mediated evolution）是一種快速的染色體重排修飾技術(shù)，可以加速生物體的進(jìn)化，其本質(zhì)上是一種非定點(diǎn)的誘導(dǎo)型基因編輯技術(shù)。生物的進(jìn)化往往需要漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程，難以快速獲得具備某類性狀的物種。合成生物學(xué)可以通過(guò)基因組設(shè)計(jì)，引入特定的功能模塊，以獲得目標(biāo)工程細(xì)胞；然而，基于目前的成本和技術(shù)限制，盡管可以有很多候選基因組設(shè)計(jì)，想要獲得一個(gè)大容量合成細(xì)胞庫(kù)并從中篩選獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)的可能性不大。而?SCRaMbLE?是一種潛在的高性價(jià)比手段。Sc2.0?計(jì)劃擬在合成的酵母基因組中插入約?5?000?個(gè)?loxPysm?位點(diǎn)。該計(jì)劃近期發(fā)表的系列成果表明，SCRaMbLE?系統(tǒng)可以誘導(dǎo)獲得增強(qiáng)型工業(yè)用酵母菌株，提目標(biāo)代謝物的產(chǎn)量等。

當(dāng)前，首個(gè)全人工合成的真核生物——Sc2.0?已經(jīng)接近完成，更高等生物的全基因組合成也已經(jīng)提上日程。然而，超大基因組的合成尚有很多挑戰(zhàn)。通過(guò)基因編輯對(duì)現(xiàn)有物種進(jìn)行局部基因組改造實(shí)際為傳統(tǒng)基因工程的升級(jí)，其不大可能實(shí)現(xiàn)全面的基因組改寫。就目前而言，基因組合成與基因組編輯的結(jié)合將是一個(gè)十分具有潛力的研究方向，可解決目前超大基因組從頭合成面臨的各項(xiàng)困難，為合成基因組學(xué)在超大基因組物種基礎(chǔ)研究及物種改造中的應(yīng)用提供可能。這也是我國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域及基因編輯領(lǐng)域可以把握的契機(jī)。（作者：盧俊南，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 合成生物學(xué)研究所 合成基因組學(xué)研究中心 深圳市合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；褚鑫，中國(guó)科學(xué)院重大科技任務(wù)局；潘燕平，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 合成生物學(xué)研究所 定量合成生物學(xué)研究中心；陳映羲，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 合成生物學(xué)研究所 合成基因組學(xué)研究中心 深圳市合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；溫欒，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 合成生物學(xué)研究所 合成基因組學(xué)研究中心 深圳市合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；戴俊彪，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 合成生物學(xué)研究所 合成基因組學(xué)研究中心 深圳市合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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