基因编辑是如何完成的（基因编辑geneediting）

基因编辑是如何完成的（基因编辑geneediting）同源重组（Homologous recombination）是最早用来编辑或细胞基因组的技术方法。同源重组是在DNA的两条相似（同源）链之间遗传信息的交换（重组）。通过生产和分离带有与待编辑基因组部分相似的基因组序列的DNA片段，将这些片段注射到单核细胞中，或者用特殊化学物质使细胞吸收，这些片段一旦进入细胞，便可与细胞的DNA重组，以取代基因组的目标部分。这种方法的缺点是效率极低，且出错率高。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。这种靶向突变就是基因编辑。基因编辑以其能够高效率地进行定点基因组编辑， 在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。

基因编辑（gene editing），又称基因组编辑（genome editing）或基因组工程（genome engineering），是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行定点“编辑”，实现对特定DNA片段的修饰。

早期的基因工程技术只能将将外源或内源遗传物质随机插入宿主基因组，基因编辑则能定点编辑想要编辑的基因。

基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。这种靶向突变就是基因编辑。

基因编辑以其能够高效率地进行定点基因组编辑， 在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。

技术方法

同源重组

同源重组（Homologous recombination）是最早用来编辑或细胞基因组的技术方法。同源重组是在DNA的两条相似（同源）链之间遗传信息的交换（重组）。通过生产和分离带有与待编辑基因组部分相似的基因组序列的DNA片段，将这些片段注射到单核细胞中，或者用特殊化学物质使细胞吸收，这些片段一旦进入细胞，便可与细胞的DNA重组，以取代基因组的目标部分。这种方法的缺点是效率极低，且出错率高。

核酸酶

基因编辑的关键是在基因组内特定位点创建DSB。常用的限制酶在切割DNA方面是有效的，但它们通常在多个位点进行识别和切割，特异性较差。为了克服这一问题并创建特定位点的DSB，人们对四种不同类型的核酸酶（Nucleases）进行了生物工程改造。它们分别是巨型核酸酶（Meganuclease）、锌指核酸酶（ZFNs），转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）和成簇规律间隔短回文重复（CRISPR / Cas9）系统 [1-2] 。ZFN、TALEN和巨型核酸酶被Nature Methods选为2011年度方法 [3] 。 CRISPR-Cas系统被科学界选为2015年度最佳突破 [4] 。

巨型核酸酶

巨型核酸酶是一种脱氧核糖核酸内切酶，其特征在于它的识别位点较大（12至40个碱基对的双链DNA序列）。因此，该位点通常在任何给定的基因组中仅发生一次。因此，巨型核酸酶被认为是最特异的天然存在的核酸酶。

锌指核酸酶

锌指核酸酶是一个经过人工修饰的核酸酶，它通过将一个锌指DNA结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而产生。通过设计锌指结构域就可以实现对目的基因的特定DNA序列的靶向切割，这也使得锌指核酸酶能够定位于复杂基因组内的独特的靶向序列。通过利用内源DNA修复机制，锌指核酸酶可用于精确修饰高等生物的基因组。

转录激活样效应因子核酸酶

TALEN是经过基因工程改造后的可以切割特定DNA序列的限制酶。TALEN是通过将一个TAL效应子DNA结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而获得的。TALENs可以被设计成与几乎任何所需的DNA序列结合，因此当与核酸酶结合时，DNA可以在特定位置进行切割 。

成簇规律间隔短回文重复

CRISPR-Cas是原核生物免疫系统，赋予原核生物对如存在于质粒和噬菌体中的外来遗传物质的抗性，是一种获得性免疫系统 [6] 。携带间隔序列的RNA有助于Cas（CRISPR相关）蛋白识别并切割外源致病DNA。其它RNA指导的Cas蛋白切割外源RNA。CRISPR-Cas系统是应用最广泛的基因编辑工具。

在上述几种核酸酶中效率最低的是巨型核酸酶，受到其DNA结合元件和切割元件制约，它在每1 000个核苷酸中才能识别一个潜在的靶标 [8] 。开发ZFN克服了巨型核酸酶的局限性，ZFN在每140个核苷酸中可有一个识别位点 [8] 。但因为DNA结合元件的相互影响，巨型核酸酶和ZFN两种方法的精确度都是不可预测的。因此，需要高度专业知识和冗长且昂贵的验证过程。 TALEN是最精确和特异的核酸酶，比前两种方法有更高的效率。因为DNA结合元件由一系列TALE亚基组成，每个亚基具有识别独立于其他亚基的特定DNA核苷酸链的能力，从而产生具有高精度的更高数目的靶位点。生产一个新的TALEN核酸酶大约需要一周时间和几百美元 [8] 。与TALE核酸酶相比，CRISPR核酸酶的精确度略低。这是由于CRISPR-Cas需要在一端拥有一个特定核苷酸以产生CRISPR修复断裂双链的指导RNA。但CRIPSR-Cas已被证明是最快捷、最便宜的方法，只花费不到两百美元和几天的时间 [8] 。CRISPR对ZFN和TALEN方法的一个主要优点是可以使用其~80nt CRISPR sgRNA直接定位不同的DNA序列，而ZFN和TALEN方法都需要对定位到每个DNA序列的蛋白质进行构建和测试 。

活性核酸酶的脱靶效应可能会在遗传和生物水平上产生潜在的危险。研究发现，ZFNs往往比TALEN方法或CRISPR-Cas具有更多的细胞毒性，而TALEN和CRISPR-Cas的方法往往具有最高的效率和较少的脱靶效应 [9] 。这些核酸酶中，TALEN方法精确度最高 [8] 。

基因编辑已经开始应用于基础理论研究和生产应用中，这些研究和应用，有助于生命科学的许多领域，从研究植物和动物的基因功能到人类的基因治疗。

基因编辑和牛体外胚胎培养等繁殖技术结合，允许使用合成的高度特异性的内切核酸酶直接在受精卵母细胞中进行基因组编辑。 CRISPR -Cas9进一步增加了基因编辑在动物基因靶向修饰的应用范围。CRISPR-Cas9允许通过细胞质直接注射（CDI）从而实现对哺乳动物受精卵多个靶标的一次性同时敲除（KO） 。细胞基因表达分析已经解决了人类发育的转录路线图，从中发现了关键候选基因用于功能研究。使用全基因组转录组学数据指导实验，基于CRISPR的基因组编辑工具使得干扰或删除关键基因以阐明其功能成为可能 。

植物基因的靶向修饰是基因编辑应用最广泛的领域。首先可以通过修饰内源基因来帮助设计所需的植物性状。例如，可以通过基因编辑将重要的性状基因添加到主要农作物的特定位点，通过物理连接确保它们在育种过程中的共分离 ，这又称为“性状堆积”。其次，可以产生耐除草剂作物。比如，使用ZFN辅助的基因打靶，将两种除草剂抗性基因（烟草乙酰乳酸合成酶SuRA和SuRB）引入作物 [13] 。再次，可以用来防治各种病害如香蕉的条纹病毒 。此外，基因编辑技术还被应用于改良农产品质量，比如改良豆油品质 和增加马铃薯的储存潜力。2019年8月27日，美国科学家借助基因编辑技术CRISPR-Cas9，制造出了第一种经过基因编辑的爬行动物——一些小型白化蜥蜴，这是该技术首次用于爬行动物。由于白化病患者经常有视力问题，因此，最新突破有助于研究基因缺失如何影响视网膜发育。

未来发展前景

未来的一个重要目标必须是提高核酸酶的安全性和特异性，提高检测脱靶事件的能力，掌握预防方法。ZFNs中使用的锌指很少完全特异，有些还可能引起毒性反应。对ZFN的切割结构域进行修饰可以降低毒性 [17] 。

此外，要加强对DNA重组和DNA修复机制的认识。CRISPR的简易性和低成本，使得其获得广泛的研究和应用。由于其精确性和效率，CRISPR和TALEN都有望成为大规模生产中的选择。

“使用生物技术，我们将能够治愈许多疾病和延长我们的寿命，但这些新技术也可能给人类造成比大规模杀伤性武器更大的危险”“人类基因组计划”（HGP）与“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗登月计划”并称为人类自然科学史上的三大计划。今年6月26日，美国总统克林顿与英国首相布莱尔通过卫星传送联合宣布了人类历史上第一个基因组草图绘制完成的消息，给全世界造成了巨大地震动。世界各国在庆贺这一“有史以来最大的科学成就”时，普遍表现出了审慎的态度：这个重大突破会不会像原子物理学一样用于战争？其潜在的可能性很值得忧虑。“可以拯救生命的发现有可能带来危险的滥用”，美国总统克林顿在3年前所说的这句话在今天看来并非危言耸听。基因既能造福人类，也有可能制成基因武器给人类带来灭顶之灾。在民族主义和种族清洗死灰复燃的这个时代，我们对滥用人类基因组知识的行为万不可掉以轻心。

基因武器就是运用遗传工程技术，按人们的需要，在一些致病细菌或病毒中，接入能对抗普通疫苗或药物的基因，产生具有显著抗药性的致病菌；或者在一些本来不会致病的微生物体内接入致病基因，而制造出新的生物制剂。一句话，就是用DNA重组技术改变细菌或病毒，使不致病的成为有致病的，可用疫苗或药物预防和救治的疾病，变得难于预防和治疗。

人类不同种群的遗传基因是不一样的，将基因表现的不同产物当作攻击目标是完全可行的。诱发艾滋病的HIV，不同人种的易感性就有很大区别，而理论上基因武器的特异识别能力要比HIV高得多。

基因武器可以根据人类的基因特征选择某一种族群体作为杀伤对象。因此，科学家们也称这种“只对敌方具有残酷杀伤力，而对己方毫无影响”的新型生物武器为“种族武器”。按照美国国家人类基因组研究中心的报告，由多国联手开展的人类基因组计划，预计于2003年完成，届时将可排列出组成人类染色体的30 亿个碱基对的DNA序列，揭开生命与疾病之谜。一旦不同种群的DNA被排列出来，就可以生产出针对不同人类种群的基因武器。

英国布拉德福德大学马尔科姆·丹多教授曾言：

【“人们可以寄希望于灭绝种族的特种基因武器永远不能成为现实，但如果以为造不出这种武器或者说不可能精确命中，那是愚蠢的。”】

如同任何高新技术都很快被应用于军事领域一样，当基因工程刚一问世，一些军事大国便置1972年各国缔结的“禁止生物武器公约”于不顾，竞相投入大量的经费和人力研究基因武器。美国作家、科技记者查尔斯·皮勒在《基因战争》一书中透露，西方一些国家已制定了研制基因武器的计划，这些国家以研制疫苗为名进行着危险的传染病和微生物研究。今年人类第一个基因组草图完成以后，世界各国对生物和基因研究的关注再次升温，美、英、德、日等国纷纷加大了对基因工程的投资。

据披露，美国政府今年用于生物工程研究的经费为20亿美元。据报道，位于马里兰州的美国军事医学研究所，其实就是基因武器研究中心，那里的研究人员已经研制了一些具有实战价值的基因武器。他们在普通酿酒菌中接入一种在非洲和中东引起可怕的裂各热细菌的基因，从而使酿酒菌可以传播裂各热病。另外，据说美国已完成了把具有抗四环素作用的大肠杆菌遗传基因与具有抗青霉素作用的金色葡萄球菌的基因拼接，再把拼接的分子引入大肠杆菌中，培养出具有抗上述两种杀菌素的新大肠杆菌。

据英国国防部透露，英国政府辖下的化学及生物防疫中心的科学家们正运用基因工程技术做深入研究，就基因杀人“虫”（Gmsupergerms）发展的可能性进行试验。虽然英国政府对于基因杀人“虫”的研究秘而不谈，但英国报章指政府秘密进行这项研究至少已有5年。

英国《星期日泰晤士报》曾于1998年9月披露一则秘闻：为了报复伊拉克的导弹袭击，以色列军方正在加紧研制一种专门对付阿拉伯人而对犹太人没有危害的基因武器———“人种炸弹”。“人种炸弹”的研制计划由以色列的尼斯提兹尤纳生物研究院负责，该研究院是以色列研制生化武器的秘密中心。虽然目前基因病毒尚未研制出来，但据《简氏防务周刊》报道，以色列科学家利用南非“染色体武器”的某些研究成果，已经发现了阿拉伯人、特别是伊拉克人的基因构成。

美国塞莱拉基因组公司董事长克雷洛·文特尔警告说：

【“人类掌握了能够对自身进行重新设计的基因草图以后，人类也就走到了自身命运的最后边界。”】

与造价昂贵的大规模杀伤性武器相比，杀人不见血的基因武器有着许多无可比拟的优势。一是成本低，杀伤能力强。有人估算，用5000万美元建造一个基因武器库，其杀伤效能将远远超过50亿美元建造的核武器库。英格兰北部布拉德福德大学马尔科姆·丹多教授在《生物技术武器与人类》一书中说，只要用多个罐子把100公斤的炭疽芽胞散播在一个大城市，300万市民就会立即感染毙命。据称，美国曾利用细胞中的脱氧核糖核酸的生物催化作用，把一种病毒的DNA分离出来，再与另一种病毒的DNA相结合，拼接成一种具有剧毒的“热毒素”基因毒剂，用其万分之一毫克就能毒死100只猫。

经过改造的病毒和病菌基因就像一把特制的锁，只有研制者才知道它的密码，即使清楚敌人使用了基因武器，要查清病毒来源与属性也需要很长的时间。1995年，当美国西南部流行一种名为hantavirus的病毒时，美国科学家动用了世界上最先进的研究手段，用了5天时间才查明病毒属性，找出抗病毒方法。

虽然在技术上还有许多难题，但基因武器一旦出现，其战略威力将比核武器还要大，因为拥有这种武器的人不必顾虑对自己及对地球整体环境的破坏。基因武器的使用者再也不必兴师动众，而只需在战前将基因病菌投入他国地域，或利用飞机、导弹等将带有致病基因的微生物投入他国地域，让病毒自然扩散、繁殖，就会使敌方人畜在短时间内患一种无法治疗的疾病，从而丧失战斗力。基因武器的特有功能之一，就是从武器的使用到发生作用都没有明显征候，即使敌方发现了也难以破解遗传密码和实施控制，所以，基因武器一旦使用，便会使敌方某种程度上束手无策，坐以待毙。

其实，人们早就认识到了遗传基因工程有被滥用的可能。1972年联合国即通过了“禁止试制、生产及销毁细菌（生物）和毒剂武器公约”，1975年联合国再次通过了决议，“禁止使用生物化学武器”，但少数国家发展生物武器的步伐却一天也没有停止过。。