編者按：小小的基因背后隱藏著人類身體的無限奧秘，隨著科技的發展，我們已經了解到基因對于人類遺傳所起的重要作用。那么，基因缺陷的人是否可以通過修改基因使下一輩獲得健康？基因編輯技術到底是什么？本文帶你探索基因編輯的奧秘。

“世界上沒有完全相同的兩片樹葉,也沒有完全相同的兩個人。”這句話出自德國哲學家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨。有人是卷發，有人是直發；有人是藍色瞳孔，有人是棕色瞳孔；生而為人，為什么大家各不相同呢？答案來自基因。

基因，就是遺傳物質，也就是帶有遺傳信息的DNA（脫氧核糖核酸）片段。DNA是由腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）4種堿基兩兩配對形成的雙螺旋結構，在我們體內會轉錄成RNA（核糖核酸），RNA被翻譯成蛋白，蛋白再經加工后就會起各自相應的作用。我們每個人從父母那里獲得的遺傳物質不同，因此長得也就各不相同了。

DNA雙螺旋結構示意圖（圖片來自網絡）

基因不僅能決定我們的長相，自然界中的各種生命現象也都離不開基因的控制，比如水母會發光，珊瑚蟲五彩斑斕的顏色，樹葉的各種形狀等等。那么如果獲得了讓水母發光的基因，是不是也可以讓別的生物發光呢？

答案是肯定的。

水母會發光是由于體內帶有一段能表達發光蛋白的基因，我們通過一定的手段獲取到這段基因，再把它裝進別的生物體內，這種生物就可以發光了。

這個過程就要用到基因編輯。用這種技術，不僅可以讓生物體發光，還能標記不同的細胞，不同的器官，不同的神經元，使它們呈現不同顏色的光。就像下圖中，細胞能發綠色的光是因為插入了一段來源于水母的能翻譯成綠色熒光蛋白的GFP基因，線蟲能發紅色的光則是插入了來源于珊瑚蟲的mCherry基因。這些基因在細胞和線蟲體內進行轉錄和翻譯，行使它們的功能，從而讓細胞和線蟲能夠發光。

發光的細胞、線蟲（圖片來自網絡）

進行基因編輯的方法有許多，傳統的基因編輯方式有鋅指核酸內切酶（ZFNs），轉錄激活因子樣效應物核酸酶（TALENs），轉座酶，小干擾RNA（siRNA）等。而在近幾年，作為當今科研所用到的主流基因編輯技術，“CRISPR”正悄然走進我們的生活。

CRISPR的全稱是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats（成簇的規律間隔的短回文重復序列），這種序列需要一個與它一起作用的蛋白，我們稱之為Cas（CRISPR associated）蛋白。

（圖片來自網絡）

CRISPR/Cas系統發揮作用需要三個步驟，首先，當入侵者首次侵入的時候，CRISPR系統就會捕獲一段入侵者的基因序列，當作身份證明，這樣就可以識別它了；接下來，由Cas1/Cas2將這段捕獲好的序列整合到CRISPR的重復序列之間，這段用于識別身份的序列就叫間隔序列；最后，這段序列經過轉錄產生一段段帶身份識別和引導功能的CRISPR RNA（crRNA），能夠找到目標入侵者的DNA序列，通過與其進行識別互補后，就可以激活Cas9蛋白，把入侵者的DNA雙鏈切斷，讓它失去功能。

那么既然是通過一段序列進行識別的，就可能存在“認錯人”的情況。在很多時候，Cas9也的確表現出了較高的脫靶率，也就是在不該切的地方，隨隨便便就給它來一刀。因此，研究如何降低Cas9的脫靶率也是當前科學研究中的熱點。

當然，不僅有針對DNA進行切割的蛋白，也有針對RNA的。近幾年剛發現了一類VI Cas蛋白，被稱為Cas13，它們就是針對RNA的一類蛋白。原理和Cas9類似，都是通過一段識別身份的序列，引導蛋白去進行切割，進而進行編輯。

那大家是不是就有疑問了，這個蛋白只是對DNA進行切割，那么怎么插入我想要讓它表達的片段呢？

我們可以看到上面這張圖，上面的雙線可以看作是我們即將要改造的DNA，下面環狀的是我們用來進行改造的工具載體，載體中間的紅色色塊則代表我們想要轉進去的一段基因，它的兩邊有和改造DNA完全相同的兩段序列（紅色和藍色線條），稱之為同源臂。

在將Cas9和工具載體一起轉進細胞或注射到受精卵后，Cas9先對DNA在特定位置進行切割（綠色標記處），形成DNA雙鏈斷裂（DSB）。然后再把載體連著同源臂這一段也切下來，目標基因兩端紅色和藍色同源臂與改造DNA相互識別，發現他們竟然是一樣的！那一樣的當然可以互補配對連在一起。這樣在修復了DNA斷裂的同時，也就把目的基因整合在基因組上了。

當然，這種編輯方式并不是百分百可以成功的，有許多因素都可以影響基因整合的效率，比如細胞或受精卵的狀態，分裂時期，以及其它很多我們還未知的因素。

因此，為了確保萬無一失，在進行科研工作的時候，都會同時注射好幾十個受精卵，等它們長成成熟的生物體后進行鑒定，挑選出成功進行基因編輯的個體來進行后續的研究。

利用基因編輯，不僅可以表達一些外源的基因，也可以在某些情況下，對單個堿基突變的基因進行修復，能用來治療一些疾病。很多疾病都是由于基因的單堿基突變造成的，比如鐵貯積癥遺傳性血色病、阿爾茨海默癥、乳腺癌等等。

單堿基編輯，是利用失活的Cas9（dCas9）融合別的蛋白來行使功能。主要利用CRISPR/Cas的定位功能，把特定的能進行單堿基編輯的蛋白酶帶到需要修復的位置后，CRISPR/Cas的任務就完成了，剩下的就交給特定功能的蛋白酶，去進行需要的編輯。

講了這么多，大家也可以發現基因編輯并不是萬無一失的，它的研究還有很長的路要走。也許你認為它離你很遠，但是可能在不久的將來，許多和基因相關的疾病，都可以被它攻克。在科技發展日新月異的今天，科學家們已經把無數的不可能變為可能，把許多的未知書寫為知識，不斷地探索著生物體的無窮奧秘。

出品：科普中國

作者：劉宇慧 同濟大學生物學在讀博士

監制：中國農學會 光明科普事業部