基因組編輯

基因組編輯（英語：genome editing）又稱基因組工程、基因編輯，是基因工程的一種，指在活體基因組中進行DNA插入、刪除、修改或替換的一項技術。基因組編輯與早期的基因工程技術（英語：Genetic engineering techniques）不同處是在：後者在宿主的基因組中進行隨機插入基因物質，而前者則是在特定位置插入基因片段。透過可編程核酸酶進行基因操作所涉及的基本機制，是由限制酶內切核酸酶（FokI 和 Cas）識別目標基因組位點並結合效應DNA結合域（DBD）、目標DNA中的雙股DNA斷裂（DSB），並透過同源定向重組（HDR）或非同源性末端接合（NHEJ）修復雙股DNA斷裂。^[1][2]

用於基因組編輯的不同世代的核酸酶，以及用於修改目標DNA的DNA修復途徑。

歷史

基因組編輯技術始於1990年代^[3]，早於目前常見的基於核酸酶的基因編輯平台的出現，但由於編輯效率低下，其應用受到限制。利用工程核酸酶進行基因組編輯，通過三類的人工核酸酶—— 包括鋅指核酸酶（ZFNs）、類轉錄活化因子核酸酶（TALEN）^[4]和 CRISPR-Cas9 ——進行基因編輯的技術被Nature Methods選為2011年年度技術^[5] 。其中，CRISPR-Cas9技術也被Science選為2015年度重要技術突破^[6]。

至2015年，除以上三類酶以外，歸巢核酸內切酶（meganucleases）也成為基因編輯技術所使用的酶之一。到2017年，已有九類酶可用於基因編輯技術。

基因編輯中使用的核酸酶通過選擇性切斷DNA上的特異性位點產生雙股DNA斷裂（DSBs），隨後經由非同源性末端接合（NHEJ）或同源重組（HR）修復斷裂，在此過程中引入鹼基改變。

2019年3月，中國科學家賀建奎聲稱其通過 CRISPR-Cas9 技術實現了對兩名嬰兒的 CCR5基因編輯從而使其獲得了愛滋病的天生抗性。此做法引起了相關學界的巨大震動和對其的指責，也警示了人們基因編輯技術可能具有的倫理問題，最終賀建奎被中國法院以非法行醫罪被判有期徒刑三年，並處罰金人民幣三百萬元。

2020年2月，一項美國試驗安全地顯示了 CRISPR基因編輯對3位癌症患者的作用。

背景

從1970年開始有了用基因工程作為將新的遺傳成分引入生物的方法。 該技術的一個缺點是DNA插入宿主基因組時是隨機的，這會損害或改變生物體內的其他基因，因此需要尋找將插入的基因精確地靶向生物基因組內特定位點的方法。 除了減少脫靶效應外，它還可以編輯基因組中的特定序列。 通過將突變靶向特定基因，可以將其用於研究和基因治療。 通過將一種功能基因插入生物體並靶向其以替代有缺陷的基因，有望治癒某些遺傳疾病。

基因靶向

同源重組

早期將基因靶向到生物體基因組內特定位點的方法（稱為基因靶向）依賴於同源重組（HR）。^[7]透過製造含有與目標基因組序列相匹配模板的DNA結構體，細胞內的HR過程就有可能將結構體置於所需位置。在胚胎幹細胞上使用此方法，可發展出目標基因被敲除的轉基因小鼠。也可以敲入基因或改變基因表達模式。^[8]馬里奧·卡佩奇（Mario Capecchi）、馬丁·埃文斯（Martin Evans）、和奧利弗·史密斯（Oliver Smithies）獲得2007年諾貝爾生理學或醫學獎，以表揚他們發現如何利用同源重組，透過胚胎幹細胞在小鼠身上進行基因改造。^[9]

條件靶向

如果一個重要的基因被敲除，它可能會被證明對生物是致命的。為了研究這些基因的功能，我們使用了位點特異性重組酶 (SSR)。最常見的兩種是Cre-Lox重組和Flp-FRT系統。Cre重組酶（英語：Cre recombinase）是一種透過稱為Lox-P位點的結合序列之間的同源重組來移除DNA的酶。Flip-FRT系統以類似的方式運作，Flip重組酶可辨識FRT序列。將含有重組酶位點的生物與在組織特異性啟動子控制下表達SSR的生物進行雜交，就有可能敲除或開啟某些細胞中的基因。這些技術也被用來移除轉基因動物的標記基因。進一步修改這些系統，研究人員可以只在特定條件下誘導基因重組，允許基因在所需時間或發育階段被敲除或表達。^[8]

應用

截至2012年，高效的基因組編輯技術已經被開發出來，適用於從植物到動物的多種實驗系統，通常已超越臨床的興趣範圍，逐漸成為研究實驗室的標準實驗策略。^[10]最近產生的大鼠、斑馬魚、玉米和菸草ZFN介導的突變體，以及基於TALEN方法的改進，都證明了這些方法的重要性，而且這個名單還在迅速擴大。使用工程化核酸酶進行基因組編輯很可能會對生命科學的許多領域有所貢獻，從研究植物和動物的基因功能到人類的基因治療。舉例來說，合成生物學領域的目標是改造細胞和生物體以執行新奇的功能，而工程化核酸酶能夠增加或移除基因組元素，因而創造出複雜的系統，這將可能使合成生物學領域受惠。^[10]此外，基因功能也可以利用具有工程核酸酶的幹細胞來研究。

風險、局限和爭議

2018年11月，中國雙胞胎女孩露露和娜娜誕生，這是世界上第一批經過基因編輯的嬰兒。她們的部分基因被編輯以抵禦HIV，此事件所涉及的倫理問題在學界和社會引起了巨大爭議^[11][12][13]。2019年12月30日，此事件主謀賀建奎在深圳市南山區人民法院一審公開宣判。賀建奎以非法行醫罪被判有期徒刑三年，並處罰金人民幣三百萬元^[14]。

諾貝爾獎

2007年，諾貝爾生理學或醫學獎授予馬里奧·卡佩奇、馬丁·埃文斯和奧利弗·史密斯，「以表彰他們發現了利用胚胎幹細胞在小鼠體內引入特定基因修飾的原理」。 ^[9]

2020年，諾貝爾化學獎授予埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷（法語：Emmanuelle Marie Charpentier）和珍妮弗·道德納（英語：Jennifer Anne Doudna），以表彰她們「開發了一種基因組編輯方法」。 ^[15]

參見

• 核糖核酸編輯
• 基因編輯嬰兒事件
• 賀建奎
• CRISPR