2019年终盘点：2019年基因工程领域解读

2019年12月1日讯/100医药网BIOON/---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、获得新品种和生产新产品。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。

基因编辑（gene editing）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或者它们的转录本进行修饰的一种基因工程技术。它能够让人类对目标基因或它们的转录本进行定点“编辑”，实现对特定DNA或RNA片段的修饰。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 基因编辑技术中，以锌指核酸酶（zinc-finger nucleases, ZFN）和TALEN （transcription activator-like effector nucleases）为代表的序列特异性核酸酶技术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。CRISPR/Cas是继“锌指核酸内切酶（ZFN）”、“转录激活子样效应因子核酸酶（TALEN）”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，而且经过不断改进后，更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。

基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一，受到人们的高度重视。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称，Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas9是由一种原始的细菌免疫系统改编而成的，它的作用方式是首先在基因组的一个靶位点上切割双链DNA。

在2019年，科学家们在基因编辑等基因工程领域取得重大的进展，让我们一起看看这个领域在这一年里取得的重大发现。

1.

Nature Communications, 22 January 2019, doi:10.1038/s41467-018-08224-4

在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所的张锋（Feng Zhang）及其团队着重关注除Cas9和Cas12a（之前称为Cpf1）之外的第三种II型蛋白效应核酸酶：Cas12b，即一种由两个gRNA引导的核酸酶，含有单个结构域：RuvC，其中这两个gRNA为crRNA和tracrRNA。尽管Cas12b蛋白通常比Cas9和Cas12a小，因而从通过病毒载体进行细胞内递送的观点来看具有吸引力，但是得到最好描述的来自嗜酸耐热菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）的Cas12b核酸酶（AacCas12b）在48°C时表现出最佳的DNA切割活性，这阻止它在哺乳动物细胞中的应用。张锋团队试图鉴定出在较低温度下有活性的Cas12b家族成员，这样就可用于人类基因组编辑。相关研究结果于2019年1月22日发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“Engineering of CRISPR-Cas12b for human genome editing”。

图片来自Nature Communications, doi:10.1038/s41467-018-08224-4。 鉴于强效的基因组编辑工具应当在一系列靶标上是高效的和特异性的，张锋团队在针对293T细胞中的5个基因的56个靶位点上测试了BhCas12b v4突变体，结果观察到强效的DNA切割。接着，他们通过电穿孔技术将BhCas12b v4-sgRNA复合物递送到人CD4+ T细胞中。在3个测试的靶位点上，这些复合物表现出的indel发生率为32%～49%。这些数据表明BhCas12b v4突变体在多种基因组编辑环境下（包括一种在治疗上有重大意义的人细胞类型）可作为一种有效的可编程的核酸酶。

2.

Nature, Published online: 23 January 2019, doi:10.1038/s41586-019-0875-2

基因驱动（gene drive）是一种基因工程技术，它促进后代要比正常情形时更频繁地遗传来自一个亲本的特定等位基因。它已在昆虫中发挥作用。如今，在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现它也能够成功地在脊椎动物中发挥作用。在这项研究中，他们描述了一种方法，它利用CRISPR-Cas9改变雌性小鼠生殖系细胞，从而促进小鼠后代出现白色毛发和表达一种红色荧光蛋白。相关研究结果于2019年1月23日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Super-Mendelian inheritance mediated by CRISPR–Cas9 in the female mouse germline”。