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空空的小新
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树果衣嘎凌

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基因编辑技术,可以用于编辑动植物甚至病毒的基因。通过改变基因让其改变性状,对人来说当然是有益的,不过目前这个技术并不完善。如果人类真正的掌握了基因编辑技术,那么就相当于掌握了任何物种的生物源代码,可以随意改变其性状向人类有益的地方发展。
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生物科学是一门前沿的边缘学科,要想在此有成就,深造是难免的。  生物科学是一门以实验为基础,研究生命活动规律的科学。一般大学都设在生命科学院内,与生物技术,生物工程是兄弟专业。其专业涉及面相当广,包括植物学,动物学,微生物学,神经学,生理学,组织学,解剖学等等。  本专业学生主要学习生物科学方面的基本理论、基本知识,受到基础研究和应用基础研究方面的科学思维和科学实验训练,具有较好的科学素养及一定的教学、科研能力。培养具备生物科学的基本理论、基本知识和较强的实验技能,能在科研机构、高等学校及企事业单位等从事科学研究、教学工作及管理工作的生物科学高级专门人才。 [编辑本段]毕业生应该获得以下几方面的知识和能力  掌握数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识;  2.掌握动物生物学、植物生物学、微生物学、生物化学、细胞生物学、遗传学、发育生物学、神经生物学、分子生物学、生态学等方面的基 本理论、基本知识和基本实验技能;  3.了解相近专业的-般原理和知识;  4.了解国家科技政策、知识产权等有关政策和法规;  5.了解生物科学的理论前沿、应用前景和最新发展动态;  6.掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法;具有一定的实验设计,创造实验条件,归纳、整理、分析实验结果,撰写论文,参与学术交流的能力。 [编辑本段]主干学科  生物学 [编辑本段]主要课程  动物学、植物学、有机化学、无机及分析化学、物理学、微生物学、生物化学、细胞生物学、遗传学、发育生物学、神经生物学、分子生物学、生态学等。 [编辑本段]主要实践性教学环节  包括野外实习、毕业论文等,一般安排10~20周。 [编辑本段]主要实验  动物生物学实验、植物生物学实验、微生物学实验、细胞生物学实验、遗传学实验、生物化学实验、分子生物学实验等。 [编辑本段]修学年限  4年 [编辑本段]授予学位  理学学士 [编辑本段]相关专业  生物技术、生物信息学、生物信息技术、生物科学与生物技术、动植物检疫、生物化学与分子生物学、医学信息学、动物生物技术、生物资源科学、生物安全 [编辑本段]现代生物科学  现代生物科学(生物工程)是指对生物有机体在分子、细胞或个体水平上通过一定的技术手段进行设计操作,为达到目的和需要,以改良物种质量和生命大分子特性或生产特殊用途的生命大分子物质等。包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程,其中基因工程为核心技术。由于生物技术将会为解决人类面临的重大问题如粮食、健康、环境、能源等开辟广阔的前景,它与计算器微电子技术、新材料、新能源、航天技术等被列为高科技,被认为是21世纪科学技术的核心。目前生物技术最活跃的应用领域是生物医药行业,生物制药被投资者认为是成长性最高的产业之一。世界各大医药企业瞄准目标,纷纷投入巨额资金,开发生物药品,展开了面向21世纪的空前激烈竞争。  生物技术的发展可以划分为三个不同的阶段:传统生物技术、近代生物技术、现代生物技术。传统生物技术的技术特征是酿造技术,近代生物技术的技术特征是微生物发酵技术,现代生物技术的技术特征就是以基因工程为首要标志。本文所说的生物技术,是指现代生物技术,也可称之为生物工程。现代生物技术在70年代开始异军突起,近一、二十年来发展极为神速。它与微电子技术、新材料技术和新能源技术并列为影响未来国计民生的四大科学技术支柱,被认为是21世纪世界知识经济的核心。   生物技术的应用范围十分广泛,主要包括医药卫生、食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面。其中医药卫生领域是现代生物技术最先登上的舞台,也是目前应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。   生物技术在医药卫生领域的应用主要有以下三个方面:   1、是解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生产技术问题,开发出了一大批新的特效药物,如胰岛素、干扰素(IFN)、白细胞介素-2(IL-2)、组织血纤维蛋白溶酶原激活因子(TPA)、肿瘤坏死因子(TNF)、集落刺激因子(CSF)、人生长激素(HGH)、表皮生长因子(EGF)等等,这些药品可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症,而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品。   2、是研制出了一些灵敏度高、性能专一、实用性强的临床诊断新设备,如体外诊断试剂、免疫诊断试剂盒等,并找到了某些疑难病症的发病原理和医治的崭新方法。我国的单克隆抗体诊断试剂市场前景良好。   3、是基因工程疫苗、菌苗的研制成功直至大规模生产为人类抵制传染病的侵袭,确保整个群体的优生优育展示了美好的前景。我国开发重点是乙肝基因疫苗。   现代生物技术以再生的生物资源为原料生产生物药品,从而可获得过去难以得到的足够数量用于临床的研究与治疗。如1克胰岛素(h-Insulin)要从5公斤新鲜猪或牛胰脏组织中提取得到,而目前世界上糖尿病患者有6000万人,每人每年约需1克胰岛素,这样总计需从45亿公斤新鲜胰脏中提取,这实际上办不到的,而生物技术则很容易解决这一难题,利用基因工程的"工程菌"生产1克胰岛素,只需20升发酵液,它的价值是不能用金钱来计算的。

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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。

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DNA是绝大部分生物的遗传信息的储存介质,由腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)四种核苷酸组成,并且严格遵守A-T,C-G的碱基互补配对原则,DNA链上这四种核苷酸的排列信息就是生物体的主要遗传信息。基因是控制生物性状的基本遗传单位,即一段携带特定遗传信息的DNA序列,主要通过翻译出对应的效用蛋白发挥功能。 图 DNA的结构示意图(图片来自网络)基因异常往往导致各种疾病的发生:如在超过50%的人类肿瘤中都能检测到编码p53蛋白的基因的突变(丧失活性);Rag1等基因的突变会导致重症联合免疫缺,患儿终生不能接触外界空气,只能终生生活在隔绝容器内(图2)。 图 终生生活在隔离容器内的美国男孩大卫·维特(图片来自网络)什么是基因编辑技术?基因编辑技术是指特异性改变目标基因序列的技术。目前主要的基因编辑技术都是基于如下原理发展而来的:在细胞内利用外源切割复合体特异性识别并切割目的基因序列,在目的基因序列上制造断裂端,这种断裂端随即会被细胞内部的DNA损伤修复系统修复,重新连接起来。在此修复过程中,当有修复模板存在时,细胞会以修复模板为标准进行修复,从而实现对基因序列的特异性改变,即基因编辑(图2)。 图3 基因编辑技术的基本原理示意图要实现基因编辑,外源切割复合体必须满足两个条件:① 切割复合体必须可以特异性地识别和结合至目的基因DNA序列上,这是各种基因编辑技术的主要差异所在,也是发展基因编辑技术的最大困难所在;② 切割复合体必须具有切割DNA,制造断裂端的功能;基因编辑技术的简要发展历史自1953年沃森和克里克两位科学家提出DNA的双螺旋结构以来,人们一直都在积极探索着高效便利的基因编辑技术:上世纪80年代,科学家在小鼠胚胎干细胞中通过基因打靶技术实现了基因编辑(2007年诺贝尔生理医学奖),但此技术在其余细胞内效率极低,应用受到了极大的限制;上世纪90年代,基于细胞内不同锌指蛋白可特异性识别DNA上3联碱基的特征以及核酸酶FokI二聚化后可以切割DNA的特点,人们通过锌指蛋白偶联Fokl的策略逐渐发展出了一种新的基因编辑技术--锌指蛋白核酸酶技术(Zinc Finger Nucleases, ZFNs)。但此技术专利被公司垄断,且锌指蛋白数量有限,可以识别的DNA序列数量有限,其应用也受到了很大的限制。随后,基于改造后的植物病原菌中黄单胞菌属的TAL蛋白可以特异性识别DNA中一个碱基的特性,人们又发展出了新的基因组编辑技术--转录激活样因子核酸酶技术(Transcription activator-like effector nucleases, TALENs)。此技术理论上可以实现对任意基因序列的编辑,但其操作过程较为繁琐,一定程度上限制了其应用。近年来,基于细菌规律成簇的间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR)系统发展而来的新一代基因组编辑技术--CRISPR/Cas9技术,使得基因编辑变得更为简易、高效。值得提出的是,华裔科学家张锋教授对于CRISPR/Cas9技术的发展与应用作出了重要贡献,是目前这一领域的领军人物之一。基因编辑技术的最新发展由于目前最为广泛应用的CRISPR/Cas9技术仍然存在着无法对所有基因序列实现编辑、可能错误编辑其余基因、切割复合体中RNA容易降解导致复合体不稳定等一些不足之处,人们主要从以下几个方面优化发展新的基因编辑技术:1)  优化CRISPR的蛋白序列,使得其可以识别更多的序列,并且能够更为有效地编辑基因序列;2) 寻找新的具有特异性识别和切割目的基因序列的蛋白。如张锋教授在去年报道的Cpf1,已被证实为一类新的基因编辑工具;而目前引起广泛争议和关注的我国河北科技大学韩春雨教授在今年初报道的NgAgo,如果其真的可以实现细胞内的基因编辑,也是一类新的基因编辑工具,是目前各种基因编辑工具的有效补充;近期,我国南京大学学者又开发了一类新的基因编辑工具—SGN,也引起了学界的广泛关注。基因编辑技术的应用随着CRISPR/Cas9等新型基因编辑技术的迅猛发展,基因编辑技术在诸多方面都有着极为广阔而光明的应用前景:1)  畜牧业和农业方面,现在已经在包括鸡、牛、羊等重要家畜和玉米、水稻、棉花等重要经济作物中实现了基因改造,有效地提高了这些家畜和经济作物的产量和质量;2)  医疗健康方面,一方面,对于先天性基因突变致病患者,利用基因编辑技术改正突变的基因,可以为这些疾病的彻底根治提供希望。如在2013年,我国科学家上海生化细胞所的李劲松教授就利用CRISPR/Cas9技术治愈了小鼠的白内障遗传疾病。另一方面,基因编辑技术还有望为彻底治愈一些重大疾病的提供希望,如利用基因编辑技术改造艾滋病病毒HIV-1携带者免疫细胞中的CCR5基因,可以使得细胞不再受HIV-1病毒感染,有望成为彻底战胜艾滋病的有力武器。结语:迅猛发展的基因编辑技术正在给我们的生活带来巨大的变化,在享受先进科学技术带来的种种福利的同时,我们也必须进一步加强对于基因编辑技术的基础研究以及应用管理,以确保这一先进技术得到正确而有效地应用。编辑:何郑燕  鲁凡英(专家:吴剑锋,厦门大学生命科学学院博士,科普中国微平台原创首发)

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