1.构建定向制导系统

 2.将制导系统导入细胞

 3.制导系统定向寻找靶位基因并剪切

    4.基因自动修复

 

5.功能缺失或不表达

“精确制导”育种实现“指哪儿打哪儿”

    本报记者李国龙

    几天前，英国科学家通过基因编辑技术治疗一位患白血病的女婴消息被人们广泛关注，而这一技术也正在被应用到植物育种上，特别是CRISPR/Cas9基因组定向编辑技术可以使科学家更加精确地编辑基因组。“我们正在做调控光周期的试验，目标是让玉米生长期缩短。”中玉金标记（北京）生物技术股份有限公司分子标记技术部研发总监景润春告诉记者。

    正是因为CRISPR/Cas9这一技术可以更加精确、更加定向的对基因进行修饰，它已经被广泛应用到人类、动物、植物的多个物种中，它被《科学》杂志评为2013年十大科学突破之一。

    “已知作物容易感染某一病害，这说明该作物有容易遭受病害侵染的位点，通过研究知道了这个位点对应的基因序列，CRISPR/Cas9就可以像精准制导的导弹一样，直接把基因序列中的关键部分‘炸掉’，再通过一系列过程，就可以得到不容易侵染这种病害的作物。”国家“千人计划”特聘专家、中玉金标记CEO卢洪形象地比喻：“‘炸掉’的过程叫做‘敲除’，也是‘突变’的一种。”

    对于精确度，不同的研究给出了不同的答案，有研究对水稻的4个相关基因进行定点突变，突变效率为4.0%～9.4%；有研究对试验模式植物拟南芥和水稻的多个基因进行定点突变，可以获得26%～80%的高突变效率。

    “这一精确度已经很高了，CRISPR/Cas9技术是定向导致基因突变，而通过航天育种技术诱变的种子，预见不到会发生什么变化。”卢洪说，在航天育种中，太空中的宇宙射线、微重力、高真空、弱地磁场等因素就像是“狂轰乱炸”，导致种子的变化也是十分随机的，有一定程度的不可预见性。航天育种中不是每粒种子都会发生基因突变，其突变率一般为百分之几甚至千分之几，而有益的基因突变仅是千分之三左右。

    敲除仅是CRISPR/Cas9技术的作用之一，还可以进行敲入、多位点同时突变和小片段删除等。CRISPR/Cas9也被称为第三代基因组定点编辑技术。景润春说：“与锌指核酸酶和转录激活因子效应物核酸酶相比，它的设计更简单、成本更低、特异性更强、作用效率更高。更重要的是，CRISPR/Cas9可以同时对基因组中多个靶位点进行操作，使直接对由多基因组成的基因表达调控途径进行敲除成为可能。”

    用CRISPR/Cas

    9系统定向进行基因位点敲除示意图

    在基因工程中，这项技术聚焦的点正是提高作用效率。通常情况下，基因工程中从发现一个基因的功能，到最后成为一个品种要花费很长的时间，数年、也可能是数十年，要有各个学科的一大批科学家协作完成。

    通过全基因组测序可以知道基因的位点排列，这就像定位长城上的烽火台，要精确知道每个烽火台的经纬度。从人类全基因组测序、到动物、再到植物，许多全基因组测序工作已经完成。

    拿着这个“经纬度”与已知功能的基因库做比较，如果库中有，就可以知道这是已知功能的基因，如果没有，这很可能就是新发现的一个未知功能基因。大多数基因的功能还是未知的，需要进行基因功能挖掘，通过系统的工作去发现它与哪个或哪些功能有关系，是与高产有关，还是与株高有关，还是与抗病有关，事实上，一个基因可能会与多个功能有关，也可能多个基因共同控制一个功能。到目前为止，对作物基因与功能的对应关系，人类所知只是冰山一角，这个“黑匣子”内部大部分还处于黑暗之中。

    “基因组测序、基因功能挖掘、基因克隆等，这些工作既可以应用CRISPR/Cas9技术，也是CRISPR/Cas9应用到育种中的前置工作。CRISPR/Cas9在育种中所处的环节也有许多其他技术，但它的革命性就在于大大提高了打靶的准确率。”卢洪多次给记者解释这项技术的应用价值，“无论是突变育种中所用的化学射线、航天育种中的环境诱变，还是发展到人工把基因中的一些位点进行敲除、置换，并不能做到精确，随机性很大，可能有打上靶的，但绝大部分就都脱靶了。”

    即使把目的基因导入受体细胞后，也需要对带有重组体的细胞进行扩增，以获得大量的细胞，还需要应用相应的试剂进行筛选，筛选出具有重组DNA的细胞；即使得到含有重组DNA的细胞，还要进行大量增殖，得到相应表达的功能蛋白，让作物得到预想的特性；即使得到了预想的特性，还要经过常规育种中的杂交、回交等多年试验，获得可以稳定遗传的优良性状。单基因遗传的较容易做到，多基因遗传的就十分复杂了。

    在现有的转基因育种中，即使是育成了品种，能够拿到相应的转基因安全证书，也不能够在市场上推广和应用，我国对转基因品种的管理有严格的检测和控制程序，普通的非转基因品种也要做转基因检测。而对于多年后，应用过CRISPR/Cas9技术产生的品种是否要接受国家已有法律政策的监管。“基因组进行植物育种可以不引入外源基因，这也导致定义转基因生物的不明确性。”卢洪说，“国家在这方面仍需要制定相关的政策和实施细则，但作为一项新兴技术，国内国际都站在差不多的起点上，作为技术储备，需要更大投入。”

    王澎

    纳米技术、核技术、航天技术、基因技术，这些高大上的技术似乎与我们的生活相距甚远。然而，殊不知日常生活中使用的很多金属、陶瓷、半导体或符合聚合材料都与纳米技术的研究息息相关；每天所用的电器设备有一部分有核能发电供应电能；火星探测和登月计划看似离我们很远，但这却是未来解决地球人口爆炸、环境压力的一个重要方向；同样的，基因技术也是人类掌握遗传秘密，战胜疾病钥匙。这些高精尖技术的研究无一不耗费着巨大的人力物力，虽然很多研究难以在短时间内获得回报，但仍然有一群执著的研究人员，将自己的青春与热情奉献其中，他们就是技术爆炸的引线，他们在为时代进步积蓄能量。

    工业革命以来，技术发展呈现爆炸趋势，在生物技术领域更是如此。传统农作物育种方式培育一个新品种少则七八年，多则十几年，众多育种家穷尽一生去

培育一个优秀的品种。“搞育种的人都长寿”，看似是一句笑谈，却反映出育种家们的巨大付出。

    高新科技的飞速发展，为育种家们带去了福音。生物技术和电子技术越来越多的被应用到育种领域，全基因组育种芯片、小孢子胁迫培养育种、转基因育种等技术的应用极大地减少了育种的时间成本、空间成本、经济成本，而育种效率、精准度、可操作性有了质的飞跃，“十年磨一剑”的情况正在转变。

    尖端技术的研发是必要的不能停滞的，而其应用也是需要一个过程的，这个过程也许很漫长，也许会出现问题遇到瓶颈，但无疑对社会有巨大价值的。我们要为扎根在实验室的研究人员喝彩，是他们的不懈努力让普通人感受到了科技的力量和时代的步伐。

    这不是CRISPR/Cas9这项明星技术第一次得到人们的关注。在此之前，有着“豪华版”诺奖之称的“2015年度生命科学突破奖”颁发给了发现基因组编辑工具“CRISPR/Cas9”的两位美女科学家。二人更是获得了2015年度化学领域的引文桂冠奖——素有诺奖“风向标”之称，曾被认为是今年诺贝尔化学奖的最有力竞争者。

    那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？

    CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶”、“类转录激活因子效应物核酸酶”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。

    2014年，KamelKhalili等人利用基因组编辑技术，首次成功地把艾滋病病毒从培养的人类细胞系中彻底清除，向永久性治愈艾滋病迈出的重要一步。正是基于CRISPR/Cas9技术的广阔发展前景，比尔·盖茨基金会近日宣布投资1.2亿美元参与EditasMedicine公司的新一轮融资。

    从此，形成了开发利用CRISPR的研究热潮，如今CRIS-PR研究已经风靡科学界。随着CRISPR/Cas9技术在人类与动物细胞系中建立并应用，经过改造的CRISPR/Cas9系统也迅速地被应用到拟南芥、烟草、高粱、水稻、小麦、玉米等不同植物基因组的定向编辑研究中，并且获得较高的诱导突变率和可稳定遗传的基因编辑植株。   王文嫣王宙洁

    CRISPR/Cas系统的灵感来源

    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CRIS-PR/Cas系统实现的。在细菌的基因组上，存在着串联间隔排列的“重复序列”，这些重复序列相对保守，我们称之为CRISPR序列。

    “打靶”效率将越来越高

    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，而且向导RNA要与PAM上游的序列碱基互补配对。

    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。

    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。当然，CRISPR/Cas9技术的成功率并非百分之百，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。