直接将艾滋病毒“剔除”掉？基因编辑再显神威

作者：中国科普博览 文字取材于科普中国作品《“基因敲除狗”是怎么造出来的？》

美国天普大学华人科学家胡文辉等人近日报告说，他们利用基因编辑技术，有效剔除了一种人源化小鼠多个器官组织中的人类艾滋病病毒，朝着开展人类临床试验的方向迈出一大步。

这次所用的基因编辑技术是CRISPR/Cas9技术，顾名思义，这项技术能够让人类对目标基因进行“编辑”，实现对特定DNA片段的敲除、加入等。自CRISPR/Cas9技术问世以来，就有着其它基因编辑技术无可比拟的优势，技术不断改进后，更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。

CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。与前两代技术相比，其成本低、制作简便、快捷高效的优点，让它迅速风靡于世界各地的实验室，成为科研、医疗等领域的有效工具。

CRISPR/Cas9技术的灵感来源于细菌的一种获得性免疫系统。与哺乳动物的二次免疫应答类似，细菌在抵抗病毒或外源质粒入侵时，会产生相应的“记忆”，来抵抗该种外源遗传物质的再次入侵，而这种获得性免疫正是由细菌的CRISPR/Cas系统实现的。

那么CRISPR/Cas9技术的实现需要什么那些条件呢？

首先，在CRISPR/Cas9技术中，我们把即将被编辑的细胞基因组DNA看作病毒或外源DNA。基因编辑的实现只需要两个工具——向导RNA（guide RNA, gRNA）和Cas9蛋白。

其中，向导RNA的设计并不是随机的，待编辑的区域附近需要存在相对保守的PAM序列（即三碱基序列NGG，其中N可以是任意碱基），而且向导RNA要与PAM上游的序列碱基互补配对。以基因敲除为例，如图3所示，在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA(向导RNA1，向导RNA2)，将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中，向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列，Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。

对于DNA双链的断裂这一生物事件，生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制，会将断裂上下游两端的序列连接起来，从而实现了细胞中目标基因的敲除。

图1 CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理图（绘图 肖媛）

而DNA片断的插入或定点突变的实现，只需在此基础上为细胞提供一个修复的模板质粒，这样细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变，对受精卵细胞进行基因编辑，并将其导入代孕母体中，可以实现基因编辑动物模型的构建。

图2 CRISPR/Cas9技术插入新基因原理图（绘图 肖媛）

当然，CRISPR/Cas9技术的成功率并非百分之百。向导RNA靶向序列的非特异性，以及DNA损伤修复的不确定性，都可能会导致基因组上其它位置产生未知的突变，也就是所谓的“脱靶”现象，这也是现阶段影响CRISPR/Cas9技术应用的瓶颈之一。但随着科研人员不断对Cas9蛋白的优化改造，对靶基因识别特异性的增强， CRISPR/Cas9技术的“打靶”效率将不断提高。

CRISPR/Cas9技术在医疗健康、生产生活、家畜育种等领域的应用，不断取得喜人的新成果。

如在医疗健康领域，用iPS细胞（诱导多能干细胞）治疗人类的镰刀形贫血症，可以将病人的皮肤细胞诱导成iPS细胞，利用CRISPR/Cas9技术介导同源重组来修复发生突变的血红蛋白基因，再将修复的iPS细胞定向诱导分化为造血干细胞移植到病人体内。此外，像使用CRISPR技术根除HIV病毒、诱导宫颈癌细胞自我毁灭、构建癌症模型等最新成果先后被Nature等著名杂志所报道。在奶制品的发酵中，利用CRISPR/Cas9增强发酵菌株对噬菌体的防御能力；在家畜育种方面，也正在利用基因编辑工具通过对显著影响家畜生产性能的基因位点进行改良，以实现猪、牛、羊等大型家畜生产性能的提高等。

作为生命科学领域的一项重大突破，CRISPR/Cas9的创新性、技术性毋庸置疑，随着对CRISPR系统认识的加深，实验设计的优化改造，相信其打靶效率会进一步提高，CRISPR/Cas9以及其衍生技术终究会带来一场科学史上的巨大变革。