基因组编辑技术——后基因组时代生命科学研

封面说明：本期杂志的封面图片为卡通风格，形象地描述了中科院上海生物化学与细胞研究所李劲松课题组利用CRISPR-Cas9技术治疗小鼠白内障遗传疾病的科研成果，该工作于2013年12月5日发表在Cell Stem Cell杂志上。画中描述一位木匠(戴着标有Cas9的帽子)，手持锤子(标有sgRNA)和锉刀，正在修复受损的一段梯子(形如DNA双链)，这寓意着CRISPR-Cas9技术能够用于修复缺 陷的DNA。该艺术设计工作由上海的设计师赵佳峰完成。

1953 年，沃森和克里克发现了DNA 双螺旋结构，不仅探明了DNA 分子的结构，而且提示了DNA 复制的分子机制，“生命奥秘”的黑匣子从此被打开，开启了生命科学研究的新时代—— 分子生物学时代。之后的几十年中，人们好奇于揭秘人自身的遗传密码。21 世纪初，随着人类全基因组测序的完成，生命科学研究进入了一个以揭示基因功能为目的的后基因组时代，而在这一时代，基因组编辑技术毫无疑问成为了重要的研究工具和手段。

事实上，自DNA 双螺旋结构被揭秘以来，科学家已经开始探讨如何操作和编辑DNA，特别是如何在基因组上特定位点进行有目的的改造。上世纪70 年代，随着在酵母和细菌中发现DNA 修复和同源重组机制，基于DNA 同源重组技术的基因打靶策略孕育而生，使得靶向的基因修饰成为了可能。1981 年，随着第一株小鼠胚胎干细胞系的建立，在哺乳动物个体水平进行基因打靶，即获得靶向基因编辑的动物模型获得了成功。自此，基因打靶成为研究哺乳动物基因功能的主要手段。然而，该策略依赖于胚胎干细胞，因此，在很长一段时间内，获得靶向基因编辑动物模型只能在小鼠上进行。1997年，第一只体细胞克隆动物“Dolly”羊问世，使得通过在体细胞中进行基因打靶，然后利用这些细胞进行核移植获得克隆动物，从而产生基因靶向编辑的动物模型成为可能。虽然如此，但是，基于传统DNA 同源重组技术获得靶向遗传编辑动物模型的策略存在耗时、耗力、成功率低等问题。近年来，多种新型高效的DNA 靶向内切酶被发现，并被应用于构建遗传编辑的动物模型，其中以锌指核酸酶(zinc finger nucleases， ZFN)、类转录激活样效应因子核酸酶(transcription activator-like effector nucleases，TALEN)、规律成簇间隔短回文重复序列(cluster regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR-Cas) 应用最为广泛。这三种方法工作原理均是在特定位点造成DNA 双链断裂，导致细胞利用自身的DNA 修复机制在该位点产生DNA 同源重组(homologous recombination， HR) 或者非同源末端连接(non-homology end joining， NHEJ)，从而实现靶向遗传编辑。这三种方法中，CRISPR-Cas 技术最为简便、快捷，自2012 年问世以来，已经迅速在生命科学研究的各个领域发挥了重要作用。我国科学家也很快建立了相关系统并成功地应用到不同的模式生物和经济作物中，取得了一系列重要的研究成果，如在国际上率先利用CRISPR-Cas9 技术获得了基因敲除的大鼠和猴，率先利用CRISPR-Cas9进行遗传疾病治疗的尝试等。本专刊就基因组编辑技术的历史和发展、在不同模式生物中的应用、以及在干细胞和治疗领域的应用进行了全面的综述。

纵观生命科学研究的历史长河，不难看出，生物技术的创新和发展对生命科学的研究起着重要的推动作用。在后基因组时代，以CRISPR-Cas 技术为代表的新一代遗传编辑技术必将助力于生命科学的腾飞。（注：本文系《生命科学》2015第27卷第1期《基因组编辑技术》专刊序）

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