如何看待基因编辑技术？

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在刘慈欣小说中，有这样的技术，通过编辑人类的基因，使得人类能够以草木为食，那么。假如人类真的能够达到这样的科技水平，我们又该如何去看待呢？这样的技术，我们是否可以接受用在人类上？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/49907840

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农作物及易受到热应激、干旱等极端气候的影响，基因编辑技术作为一种“分子剪刀“通过改造植物能实现性状改良，部分国家地区已经将基因编辑技术按照非转基因技术监管，未来基因编辑的商业化落地将有望普及。




以色列生物育种初创BetterSeeds利用专有的CRISPR-Cas9基因编辑技术开发能够快速生长、产量更高且更适应极端气候环境的作物种子。其独特的基因编辑技术旨在使作物适应大规模种植及机械化收割，从而降低整个生长收割过程的成本。

BetterSeeds成立于2017年（原“CanBreed”），在以色列拥有研发实验室、种子测试和生产温室，在美国拥有工业大麻种子农场，开发了EDGE专利技术（基因编辑高效传递技术），可以实现CRISPR技术的放大，从而能够有效地将害虫防治等关键性状引入多种作物，使得Crispr技术能够广泛应用于作物，而不会使用受限。

EDGE技术可用于大规模的蔬菜、田间作物及多年生果园的种植，具体包括：
1）开发抗旱、抗草甘蓝科植物（Orobanche spp）及抗除草剂的番茄品种；
2）开发用于腌制行业的大规模种植、机械化收割的矮生黄瓜品种；
3）对豇豆品种进行基因编辑改良作为大豆替代品，实现抗豆荚螟，并使其适应机械化收割。


https://www.zhihu.com/video/1652011635261927424
EDGE技术如何解决 CRISPR 应用限制

提高多年生作物生长速度，使其产量上升是一个极其重要且难以实现的目标。将果树或其他多年生作物变成季节性作物，意味着它们需要在短时间内快速成熟，能减少生长成本，极大降低因消费者口味变化而带来的市场风险，同时果树在结果时较小也会适应机械化收割。BetterSeeds有效整合基因编辑技术并利用所获授权的关键技术，布局多项产品管线，作为生物育种领域的创新代表，BetterSeeds重视监管要素，不断推进先进技术研发，并以实现技术商业化为终极目标。
相关信息参考：
https://news.agropages.com/News/NewsDetail---46681.htm
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检验医师

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，这种技术允许人类对目标基因进行定点"编辑"。
想象你的DNA图谱是一幅画，这幅画包含你的相貌、健康、性格、寿命等信息，有了基因编辑技术，你就可以将不满意的地方删掉重新描绘一下。
例如，CCR5基因是艾滋病病毒HIV进入宿主的关键受体，有研究人员觉得这个基因是万恶之源，于是乎利用基因编辑技术将人类胚胎的CCR5基因删除掉，“基因编辑婴儿”就诞生了。CCR5基因缺陷的婴儿是谁？现在几岁了？健康吗？真的可以完全抵抗HIV的入侵吗？……
咳咳，八卦之前请不要忘记你的身份，一名专业的科研狗子，即使吹牛都要做好调研-列好知识点-背熟稿子-关键时候一气呵成，快跟我往下看~
近年来出现了一系列基因组编辑技术，包括锌指核酸酶( Zinc-finger nucleases, ZFNs)、转录激活剂样效应核酸酶(Transcription activator–like effector nucleases, TALENs)和RNA引导的CRISPR/Cas9核酸酶系统等。



图2 三类基因组编辑工具（图片来源：原创力文档）

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(Double Strand Break, DSB)，诱导生物体通过非同源末端连接(Non-homologous End Joining, NHEJ)或同源重组(homologous recombination, HR)来修复DSB，但修复过程容易出错，从而导致靶向突变。
接下来让我们一起揭露这些不同基因编辑技术的真面目吧！
（一）锌指核酸酶( Zinc-finger nucleases, ZFNs)
（1）基本结构



图3 锌指核酸酶与DNA结合的示意图（图片来源：参考资料[1]）

作为老大哥的第一代基因编辑技术ZFNs，在1990年首次被报道，它主要包含负责特异性识别序列的锌指DNA结合结构域和进行非特异性限制性内切酶FokI切割的DNA切割结构域。
其中锌指DNA结合结构域由三个独立的锌指重复结构（如图2中的蓝色和红色所示）组成。一个典型的锌指(Cys2His2)由30个氨基酸组成，形成两个反平行的β-片，与α-螺旋相对。
锌指基序利用α-螺旋中的残基与DNA序列中的3个碱基对结合，因而一个锌指DNA结合结构域可以识别9 bp长度的DNA序列，那么多个ZFs可以结合形成一个更大的DNA识别域，从而提高基因修饰的特异性和效率。
DNA切割结构域中的单独的限制性内切酶FokI并不具备识别能力，需要与串联的锌指结合结构域融合，并与另一个FokI切割域碰头后形成二聚体，才能发挥切割功能，导致DNA的双链断裂。
（2）作用机制



图4 ZFN切割DNA后启动修复断裂双链的示意图（图片来源：参考资料[1]）

DNA双链被切割后，如何被修复呢？这就是基因编辑的关键所在！
如图4所示，DNA双链被切割后，双链断裂修复被启动，可以通过非同源末端连接(NHEJ)进行修复。NHEJ容易出错，通常会在断裂处产生一些碱基对(10-20bp)的插入或删除(indels)，这种突变可能导致基因的框架移位或破坏，进而导致基因敲除。
相反，如果细胞在含有编码整个新基因或内源性基因小突变的供体DNA的情况下使用ZFNs处理，细胞可以使用供体DNA作为模板来修复受损的DNA，从而修复具有致病性的突变基因，这个过程称为同源定向修复(homology-directedrepair, HDR)。
（二）转录激活剂样效应核酸酶(Transcription activator–like effector nucleases, TALENs)
尽管ZFN已被用于各种生物的目标基因组编辑，但有两大限制阻碍了其更广泛的应用。近年来，第二代基因编辑技术转录激活子样效应核酸酶(TALENs)迅速成为ZFNs的替代基因组编辑工具。
（1）基本结构



图5 TALEN结构示意图（图片来源：参考资料[2]）

与ZFNs类似，TALENs也包含DNA结合结构域，以及使用非特异性的FokI结构域作为DNA切割模块，并发挥二聚体的功能。
如图5所示，TALENs由N端段(NTS，粉色框)、中心重复结构域、C端段(CTS，青色框)和FokI催化结构域(橙色椭圆)组成。N端一般有转运信号，C端有核定位信号和转录激活结构域。中央重复域即DNA结合域，由一系列串联重复序列组成的。
在每个重复单位中，+12和+13位的氨基酸残基是是实现靶向识别特异DNA碱基的关键位点，随靶点核苷酸序列的不同而异，被称作重复可变双残基(Repeat variable di-residue, RVD)。
不同的RVD能够相对特异地分别识别T、A、C和G碱基中的一种或多种(例如，NG识别胸腺嘧啶(红框)，NI识别腺嘌呤(绿框)，HD识别胞嘧啶(蓝框)，NN识别鸟嘌呤(黄框)和腺嘌呤)。
两个TALENs在目标位点尾尾方向形成异源二聚体，形成一个位点特异性的DNA DSB。
（2）作用机制



图6 TALEN介导的基因组编辑的示意图（图片来源：参考资料[2]）

与ZFNs引起的DSB的修复机制一致，如图6所示，位点特异性的染色体DSB被NHEJ或HR修复，导致基因断裂、基因缺失、基因插入或基因置换。
但与ZFNs的DNA结合不同，TALENs由于其蛋白质DNA编码简单和模块化的特性，可以轻松快速地构建，以针对几乎任何DNA序列。此外，TALENs的脱靶效应和细胞毒性显著降低，使其成为一种高效的基因组编辑工具。
（三）CRISPR相关蛋白Cas9核酸酶（CRISPR associated proteins 9, CRISPR/Cas9）
随着2020年诺贝尔化学奖的揭晓，第三代基因编辑技术CRISPR/Cas9更广为人知。有专家称CRISPR/Cas9就像福特T型车，虽然在T型车出现之前就有汽车了，但他们价格昂贵而且经常出故障，而一旦T型车问世，每个人都可以拥有一辆车，所以CRISPR/Cas9更快、更便宜、更容易以及更好！
（1）基本结构
CRISPR/Cas9系统由三部分组成：核酸内切酶(Cas9)、CRISPR RNA (crRNA)和反式激活crRNA (trans-activating crRNA, tracrRNA)，是目前应用最广泛的基因编辑方法。



图7 CRISPR/Cas9介导的基因组编辑的示意图（图片来源：参考资料[3]）

crRNA通过碱基配对与tracrRNA结合形成tracrRNA/crRNA复合物，此复合物引导核酸酶Cas9 在与crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA。
其中原间距相邻基序(protospacer-adjacent motif, PAMs)，是CRISPR/Cas9系统行使切割功能的基本条件，即病毒基因组中与Cas9核酸酶靶序列相邻的短2-6个碱基对序列。
Cas9/crRNA复合体能够识别PAM（5’-NGG）位点导致DNA解旋，使crRNA找到PAM位点相邻的DNA互补链，即可形成RNA-DNA异源双链结构，引导Cas9核酸内切酶产生双链断裂。如果crRNA与靶DNA不互补，Cas9将会被释放出来，寻找新的PAM位点。
（2）作用机制
随后，通过HDR或NHEJ机制修复，DNA的修复过程产生突变DNA，最终的突变DNA可能包括DNA序列的删除或插入(NHEJ)，或替换特定的DNA序列作为进一步研究的标记(编码荧光蛋白、标签蛋白、抗生素或限制性内切酶消化的识别序列)。
目前crRNA和tracrRNA分子可形成双链结构，融合为嵌合的单一向导RNA (single-stranded guide RNA, sgRNA)，使CRISPR/Cas9更容易在基因组工程中使用。
不论是ZFN还是TALEN技术，其定向打靶都依赖于DNA序列特异性结合蛋白的合成，这一步骤非常繁琐费时。
相比之下，作为第三代基因组编辑工具的CRISPR/Cas9技术，可使用一段序列特异性sgRNA引导单一的、多结构域的Cas9蛋白到靶点处，即可完成基因组的编辑。
好了，背熟了以上3个基因编辑技术，我猜科研狗子们已经不仅仅想要八卦和吹牛了，不安的小爪爪估计也跃跃欲试了。开篇就跟你们说了“基因编辑婴儿”事件，这一事件已经引起了国际上的强烈抗议，因为它逾越科研和医学伦理道德底线，后果很严重哦。
随着科技的发展，基因编辑的革命已经到来，有望开发出治愈绝症以及应对气候变化的新方法，使人类有机会从根本上改变人类与自然的关系。但是新的基因技术也带来了新的道德和实践风险，其中一些可能会像生物战一样具有可怕的威胁，那么基因编辑技术的前景应该如何与潜在的危险相平衡，谁来决定哪些风险值得冒呢？


又和我们一起学习到这里啦！棒棒的你们现在对基因编辑知多少了呢？你是否对第三代基因编辑技术CRISPR/Cas9想进一步了解呢？关注我们吧！下期更精彩哟！

附表1 中英文缩略词表



参考文献

[1]Petersen Bjoern,Niemann Heiner,Advances in genetic modification of farm animals using zinc-finger nucleases (ZFN).[J] .Chromosome Res, 2015, 23: 7-15.[2]Sun Ning,Zhao Huimin,Transcription activator-like effector nucleases (TALENs): a highly efficient and versatile tool for genome editing.[J] .Biotechnol Bioeng, 2013, 110: 1811-21.[3]Abdelnour Sameh A,Xie Long,Hassanin Abdallah A et al. The Potential of CRISPR/Cas9 Gene Editing as a Treatment Strategy for Inherited Diseases.[J] .Front Cell Dev Biol, 2021, 9: 699597.


酸菜：“基因编辑婴儿”掀起轩然大波，科研狗子们八卦之前应该知道的几件事儿4 赞同 · 0 评论文章

卡卡

我们可以类比一下计算机的运作模式，当我们使用计算机的时候，利用键盘等输入工具发出指令，然后通过CPU等计算机的处理系统去执行这些指令，并通过在显示屏幕上的一些界面表现出我们发出的指令和我们想要的效果。而这些指令和记录会作为数据储存在硬盘里。
在某种程度上，生命的运作模式是类似的。由AGCT四种碱基的脱氧核糖核苷酸排列组合形成的不同的基因，以双链DNA的形式储存遗传信息，就相当于生命的”硬盘“。



从输入（遗传或者外界刺激）到存储，再到编译、输出，基因的运转模式和计算机运作有异曲同工之妙

那么，为什么在很多科学家眼中，基因编辑领域是革命性、颠覆性的呢？
主要原因也可以用计算机来理解——我们开始能够像在计算机里写代码一样，在生命编码信息的最底层进行改动。就像微信、QQ等应用程序，背后是由“0”和“1”组成的二进制编码语言；生命同样如此，如果我们能更改ATCG的编码，就可以改写生命的“代码”，产生新的生命“程序”。
但最底层的遗传信息与生命的外在体现之间，包含着复杂且多变的调控途径，那么基因编辑想要达到我们认为的革命性和颠覆性，就需要具备两个基本的特质：

• 一是定位精准。以人类细胞为例，每一个细胞都包含着30亿碱基对的基因组，容易出现序列相似的片段，因此基因编辑最关键、也最难的，便是精准定位、确定目标；如果定位不精准，则只能称作“破坏”，而非“编辑”。
  
• 二是编辑。对基因序列的编辑就像修改一份 word 文档，包括插入、删除、以及替换等多种形式的改变都属于编辑。
  

理想的基因编辑方法：使用定位分子（紫色）进行精确定位，再用特定的酶（黑色小团）进行编辑 | 图源见水印

具备了这两个特质以后，基因编辑最理想的状态便是“指哪打哪”，只在目标靶点处发生改变，基因组上的其他位置一动不动。但相似序列、非特异性结合等各种原因，使得这个想法只能停留在理想的状态，几乎难以实现。
基因编辑技术的不断革新，正是向着这个理想的状态不断迈进。
在合适且合理的监管条件下，现阶段在体细胞上对于基因编辑技术的运用，确实是能够造福人类、缓解病痛的。
尤其是对于很多遗传病、罕见病，基因编辑疗法的开展和普及能够，让原本很多无药可医的疾病开始能够变得有药可医，让很多从小饱受病痛折磨的患者看到康复的曙光。
例如2021 年 6 月 26 日，美国 Intellia 生物技术公司和再生元制药公司的科学家们开展了 CRISPR 基因编辑疗法的疗效实验，在6名患有一种名为转甲状腺素淀粉样变性病的罕见疾病的患者身上开展试验。
实验结果显示，所有参与的 6 位患者的畸形蛋白质水平下降，也就是说，原本让他们出现疾病症状的异常的蛋白质越来越少，那么这种罕见病的症状就可能逐渐改善。其中，接受高剂量注射的两名患者平均下降了 87% 的蛋白质水平。



CRISPR技术治疗视力障碍示意图 | 图源：editasmedicine.com

在另一项研究中，Editas Medicine 将一种携带 CRISPR DNA 的无害病毒注射到 6 名患有遗传性视力障碍疾病先天性黑蒙症（Leber’s congenital amaurosis, LCA）的成年人眼睛中。经过一段时间的治疗后，其中两名近乎失明的患者感觉到了更多的光线，有一人甚至能够在昏暗的光线下穿过障碍物。

感恩由您

作者：许铁-巡洋舰科技
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知乎专栏来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
Science 和 Nature 这两个杂志每一期都会推荐些科普书，John Parrington的《Redesigning Life 》同时被这两家杂志推荐，加上读过该作者的另一本书（参考 从孟德尔到deeper genome），所以在拿到了这本书的电子版后，就直接开始了阅读。



要理解这本书，不需要生物背景，作者的语言浅显，论述翔实。读完了这本书，你会想到《未来简史》中说的超人，这本书讲述了当前的研究在未来的潜力，这里的技术主要是以CRISPR/CAS9代表的第三代基因编辑技术。
基因编辑的本质是人为的干预自然选择，留下那些对人类有用的突变，而抛弃那些不合人类利益的基因。自从农业革命开始，人类就已经在做着这样的事情，改变农作物的基因，通过驯养让狼变成了当今这样大小各异的狗，在我们看不到的地方，人们因为长期接触动物，感染了某些原来只会感染野生动物的病毒，我们一直在改变着自然，只是基因编辑让这改变急剧加速了。
一项技术，要想能广泛的应用，其必须是便宜而稳定的。CRISPR/CAS9的革命性正在与此，不需要复杂的实验设备，不需要投入大量的时间，更不需要很多经费，未来的CRISPR/CAS9也许会在20年后成为高中生物生物课的实验项目；而CRISPR/CAS9可以修改多个物种的基因，未来可以以99%的可靠度去修改指定细胞的DNA序列DNA ，不止可以修改体细胞，还可以修改生殖细胞，最关键的是，其可以精准的修改基因中的一个字符，而不改变其他的区域。这使得CRISPR/CAS9成为名副其实的“基因魔剪”。
在这本书中，作者介绍了CRISPR/CAS9的诸多可能的应用，包括治愈癌症和精神类疾病，提供取之不尽的待移植器官，帮助我们解开人类语言和智力的起源之谜，复活猛犸象，让蚊子无法传播疟疾，甚至是创造出我们只在神话故事中见过的独角兽，这些听起来都很好，但CRISPR/CAS9也意味着我们会有更多精准设计的农作物，意味着我们未来吃的猪肉会是基因编辑过的，意味着编辑过的胚胎在一出生就会比其他人有更多的优势，意味着我们可以在患病之前就通过基因编辑让你具有免疫力。
关于基因编辑带来的争论，也是这本书着重描述的一点，这些争论主要剧集在安全和平等这两个点上。修改过的基因是否会迁移到其他生物中，从而像外来物种入侵那样造成生态灾难，这是将基因编辑应用到动植物中所必须面对的问题。而将基因编辑应用到人的身上，则需考虑这会否导致优生学的卷土重来，如何保证基因编辑的成果能造福到更多的人，而不是局限于少数特权阶层。
一项技术的成功，还在于其可以衍生出更多的技术，就像智能手机的普及不止得益于其好用的界面，便宜的价格，还在于其开放的应用商店。基因编辑使得光遗传学成为可能，通过提供定制化的模式动物，加速了癌症的研究，干细胞的研究也因为基因编辑变得可以做之前不能做的研究。在Redesigning Life这本书中，作者也花了几章的时间来描述这些相关技术的进展和应用。和基因编辑一起，光遗传学学和干细胞的研究使得人类可以精确的调控生物，这也正是这本书的标题中的现在进行时所强调的，人类真正Redesigning Life，而且是以超越自然选择数亿倍的速度。
判断一本科普类书的好坏，除了看作者外，就是看其参考文献有多少，这本书的参考文献足足有700多篇，看了这本书，相当于看了700多篇相关领域的经典论文。而将这些文章按照时间顺序徐徐道出，讲述技术背后科技史，讲述技术的起伏和兴盛，则会帮助我们更好的预测未来技术的发展趋势。
《Redesigning Life》 这本书是没有私货的，作者客观的描述了研究的成果及其带来的争议。而我看完后则觉得，不论是将一个物种中本来就有的基因型引入到种群中，比如将免疫HIV的基因引入高危人群，还是将其他物种的基因引入一个指定的物种，比如将牛的基因引入猪，从而使得猪长出更多的瘦肉，甚至是从头合成一个生物的基因组。其所依赖的观念都是要打破人与自然对立的二元观念，不机械的认为一切自然的都是好的，而是看到改造过的自然让我们脱离了茹毛饮血的生活。如果没有这样的一种共识，基因编辑的成熟，以及该技术不可避免的扩展应用范围将只会带来社会的撕裂。
https://pan.baidu.com/s/1gfOEJyr点击下载《Redesigning Life》 的PDF版（英文）