基因编辑技术在作物改良中的应用

作者：稻米成都极谷基因   孟德尔，现代遗传学之父，发现了遗传规律，剑桥大学的两位年轻科学家沃森和克里克发现DNA是由两条核苷链组成的双螺旋结构。到目前为止，基因组的定向修饰已经在人类胚胎上进行。科学家们从未停止过对生物遗传信息的研究。那么，科学家们用什么工具来研究基因的功能，甚至编辑基因信息呢？编辑基因组就像修改文本一样。首先，在文本中找到一个错误或者想要修改它。然后删除错误或添加文本。在基因组编辑过程中，如何找到目标基因并进行编辑？随着人类基因组计划的完成和高通量测序技术的发展，人们可以获得大量序列信息，进一步激发了人们改写生物体内遗传序列信息的需求，近年来基因编辑技术发展迅速。这种特殊的生物技术能够让研究者对基因组序列或者基因转录产物进行人为编辑，以改变目的基因或调控元件的序列、表达量或功能。这一革命性技术一经问世就冲击到生命科学的各个研究领域，必将在未来相当长时间内对人类健康、疾病治疗、新药研发、物种改良以及生命科学基础研究等众多方面产生广泛而深远的影响，也是世界范围内竞争最为激烈的下一代核心生物技术。先给大家介绍一下基因编辑技术早期基因编辑技术包括归巢内切酶(homingendonuclease, HEs)、锌指核酸内切酶(zinc finger endonuclease, ZFN)和类转录激活因子效应物(trans-cription activator-like effector nucleases, TALENs)，但脱靶效应或组装复杂性限制了这些技术在基因编辑领域中的应用。近年来，以 CRISPR/Cas9 系统为代表的新型基因编辑技术飞速发展，并开始在诸多生物学领域中得到广泛应用归巢内切酶早期的基因编辑技术依赖于细胞内同源重组途径(homologous recombination, HR)将外源 DNA 序列插入基因组。通过在外源 DNA 序列两端加入同源臂，能够实现外源序列的精确整合。然而真核生物中同源重组发生频率极低，约为 1/10 6 ~1/10 9 ；并且相对于靶位点而言，外源序列更容易随机整合到基因组上其他位点，造成脱靶效应，从而限制了该技术的应用 。ZFNs锌指核酸酶(zinc finger nuclease, ZFN)是由两部分组成，首先是几个(一般为3～6个)Cys2-His2锌指蛋白(zinc finger protein,ZFP)串联组成的DNA识别域，另一部分是非特异性的核酸内切酶FokⅠ的催化结构域。通过DNA识别域识别特定的DNA序列后将催化结构域定位到目标位点，从而通过核酸内切酶的作用切断DNA形成双链断裂。其结构示意图：TALENs 技术TALENs是一种可靶向修饰特异DNA序列的酶，它借助于TAL效应子一种由植物细菌分泌的天然蛋白来识别特异性DNA碱基对。TAL效应子可被设计识别和结合所有的目的DNA序列。对TAL效应子附加一个核酸酶就生成了TALENs。TAL效应核酸酶可与DNA结合并在特异位点对DNA链进行切割，从而导入新的遗传物质。其结构示意图：CRISPR-Cas9技术CRISPR-Cas9系统最初在大肠杆菌基因组中被发现，是细菌中抵抗外源病毒的免疫系统。CRISPR-Cas9系统由两部分组成，一部分是用来识别靶基因组的，长度为20bp左右的sgRNA序列，另外一部分是存在于CRISPR位点附近的双链DNA核酸酶——Cas9，能在sgRNA的引导下对靶位点进行切割，最终通过细胞内的非同源性末端连接机制（NHEJ）和同源重组修复机制（HDR）对形成断裂的DNA进行修复，从而形成基因的敲除和插入，最终实现基因的（定向）编辑。其结构示意图：如何合理的利用这项技术：这项技术就像一个潘多拉盒，一旦打开，会有不少邪恶一连飞。主要针对基因编辑在人类治疗方面的一些问题，对政府而言，应确定基因编辑技术发展与应用的“红线”，建立明确的惩罚制度；对科研院所，进一步强调科学机构在基因编辑研究伦理审查中的主体责任；建立中国科学家关于基因编辑的伦理共识。对媒体的科普责任而言更是任重道远，从业人员要加强自身对新兴技术的理解，包括机器人、基因编辑一系列新的技术。公众也并非不可作为，要理性、谨慎态度看待任何一项科学技术进步，相信科学，远离伪科学。

狭义的基因工程仅指用体外重组DNA技术去获得新的重组基因；广义的基因工程则指按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。基因工程（genetic Engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。