比尔·盖茨说：下一个世界首富来自基因领域！

比尔·盖茨曾经预言：超过我的下一个世界首富必定出自基因领域。生物产业究竟拥有怎样的魔力，让连续13年蝉联全球首富的盖茨也为之倾倒？

众所周知，目前人类许多疾病源于基因缺陷，且罕有甚至没有相关药物治疗。而所谓基因编辑技术，是指对DNA核苷酸序列进行删除和插入等操作，使人们可以依照自己的意愿改写基因。举例来说，基因编辑可以通过改变人类胚胎的基因，修复其中的致病部分，并且这一“优质基因”可以得到遗传。

值得注意的是，基因编辑在基因治疗、基础研究、药物制备、农业生产、环境保护、频危动物救助等方面均有着非常广泛的应用。目前，基因编辑技术的商业化应用主要包括科研、制药和动植物产品生产等几大领域，发展前景相当广阔。

目前基因编辑的技术主要有：

ZFN

第一个使用定制DNA核酸内切酶的基因组编辑策略就是锌指核酸酶（zinc-finger nucleases，简称ZFN）。

锌指蛋白是转录因子；每个指模块识别3-4个碱基的序列，将这些模块混合搭配，研究人员或多或少能靶定他们希望的任何序列。Sigma-Aldrich公司将ZFN技术商业化，推出CompoZr ZFN试剂平台。

ZFN是异源二聚体，其中每个亚基含有一个锌指结构域和一个FokI核酸内切酶结构域。FokI结构域必须二聚化才有活性，确保必须存在两个相邻的DNA结合事件才能实现双链断裂，从而增加了目标特异性。

切割事件使得大部分基因组编辑技术得以实现。在双链断裂后，细胞试图修复它。最简单的方法是非同源末端接合（NHEJ），其中细胞基本上磨平断裂DNA的两端，再将其彼此拉近，这往往产生移码。另一种方法是同源定向修复（HDR）。细胞试图利用另一条染色体上对应的DNA序列作为模板来修复断裂。通过提供自己的模板，用户可促使系统在不经意间插入所需的序列。

TALEN

尽管锌指核酸酶还不错，但它们制作起来比较贵，也比较繁琐，故研究人员一般都是从Sigma订购。之后，一种相似但更为灵活的系统出现了。

转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）是二聚的转录因子/核酸酶，由33至35个氨基酸模块构成，其中每个靶定单个核苷酸。通过组装这些模块，研究人员可靶定他们想要的任何序列。

梅约医学中心的Stephen Ekker将以50年代的晶体管和真空管来比喻TALEN和ZFN： 

“通过真空管，你可以在原理上设计，但它非常困难；而晶体管让事情变得更容易。同样地，ZFN提供了基因组编辑技术的理论基础，但TALEN做了ZFN的大部分工作，且更便宜、更快、更好。”

CRISPR

基因组编辑上的新生力量是所谓的CRISPR/Cas系统。

CRISPR/Cas9到底是一项什么技术，为何能够获得如此这般青睐，又何以在短短两三年时间内，发展成为生物学领域最炙手可热的研究工具之一，并有近700篇相关论文发表？它将来又会如何影响到我们的生活？

科学家Jennifer Doudna 和Emmanuelle Charpentier因发现CRISPR-Cas9系统获得了2015年“生命科学突破奖”，该奖项被喻为“豪华版诺贝尔奖”。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。

今年5月，加州大学伯克利分校的科学家们开发出了一种更快、更有效的方法采用CRISPR-Cas9来改造小鼠基因，由于这一新的基因编辑工具易于使用，简化了一个越来越受到欢迎的研究程序。

在最新的研究中，加州大学伯克利分校的研究人员发现，一种叫做电穿孔（electroporation）的简单实验室技术可以更好地起作用，使得她们能够以近100%的成功率将CRISPR-Cas9基因编辑分子插入到胚胎中。

在一项预实验中利用CRISPR-EZ，研究小组成功破坏了88%小鼠中两个拷贝的靶基因。由于显著提高了胚胎存活力，相比于CRISPR显微注射，这一程序构建出了更大数量的基因编辑小鼠。领导这一研究的是加州大学伯克利分校分子与细胞生物学副教授何琳说，CRISPR-EZ是一种简单且节约成本的方法，同时可对多个胚胎实施操作，只需要几毫秒的时间。

NgAgo-gDNA

来自河北科技大学的韩春雨副教授，他的团队发明了一种适合在人类细胞中进行基因组编辑的新技术：NgAgo-gDNA（Natronobacterium gregoryi Argonaute-gDNA）。

这是以DNA为介导、适合在人体细胞中进行基因组编辑的核酸内切酶NgAgo，利用NgAgo核酸内切酶实现以DNA引导的基因组编辑功能。

与最时兴的CRISPR-Cas9技术相比，NgAgo-gDNA技术有哪些优势呢？

1、NgAgo的向导核酸是DNA而非RNA，因此避免了RNA易于形成复杂的二级结构而带来的失效或者脱靶效应；

2、NgAgo核算内切酶需结合有24个碱基的引导DNA（gDNA），而Cas9则需要19个碱基的gRNA，理论上NgAgo精确性要比Cas9提高1024倍；

3、NgAgo–gDNA系统对向导序列（gDNA）-靶序列错配的容忍度很低。gDNA上任何一个碱基的变换都会降低核酸内切酶NgAgo的切割效率，因此NgAgo系统比Cas9系统效率更高；

4、NgAgo的向导DNA（gDNA）需要5’端磷酸化的单链DNA (5p-ssDNA)，这种形式的DNA在哺乳动物细胞中几乎不存在，这保证了NgAgo不会被内源的DNA序列错误地带到不该去的地方；

5、由于5p-ssDNA是外源转化进细胞的，其时间和浓度可以非常精确地控制。而Cas9系统的gRNA是内源表达的质粒，所以难以精确地控制；

6、Argonautes在进化过程中是保守的，存在于几乎所有生物体中，而Cas9只存在于原核生物中；

7、Argonaute不要求靶序列上存在特异的序列，而Cas9只可以切割下游含有特异序列（PAM序列）的靶序列；

8、当核酸酶Argonaute与向导序列（gDNA）结合时，它们可以影响彼此的生化特性，并作为一个整体起作用。

 NgAgo的脱靶率更低，短介导DNA的准确性和识别长度均有了重大突破，实现了对基因组的任意位置进行切割，将基因编辑的可能性推入了更广泛的境地。

小结：

基因编辑技术其实面临很大的政策与医学伦理争议，尤其是对人类胚胎DNA编辑，一经亮相就登上各大头条并引起广泛关注。鉴于科学的迅猛发展，基因编辑很可能在2016年继续占据科学政策主流问题的地位。

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