基因编辑的发展历程

基因编辑的发展历程作者：郭晓强来源：《科学》2016 年第 05 期基因编辑从传统的基因打靶，到改进的嵌合核酸酶技术，再到最新的 RNA 或 DNA 指导的核酸酶技术，取得了快速发展，为生命科学研究和临床应用提供了简捷有效的操作工具。其应用潜力巨大，但仍须解决脱靶等相关技术问题。DNA 是遗传信息载体，基因是一段具特定生物学功能的 DNA 片段，决定生物体生老病死等各种生命过程。基因编辑(geneediting)指根据科研或临床实际需要对目的基因(亦称靶 DNA)进行插入、移除或替换等精确遗传操作，从而达到预定目的(引入或修复突变)之过程。鉴于基因在正常发育和疾病发生中的重要性，这项研究的意义不言而喻。而要完成基因编辑，工具必不可少，多种核酸内切酶的发现为各种技术的发明提供了可靠保证。在此基础上基因编辑技术经历了多阶段的发展过程并显示了多方面的应用前景。限制性内切酶的发现与应用故事要从 1950 年代讲起。1952 年，意大利裔美国微生物学家卢里亚(SELuria,1969 年诺贝尔生理学或医学奖获得者)发现了细菌限制一修饰现象。同一种噬菌体对不同菌株具有不同的感染力，如极易感染大肠杆菌 C 菌株的入噬菌体对 K 菌株感染力仅是对 C 菌株的千分之―,因此将大肠杆菌 K菌株抵抗入噬菌体感染称为“宿主控制的噬菌体限制”，但对这种现象的机制缺乏了解。1962 年瑞士科学家阿尔伯(W.Arber)提出解释细菌修饰一限制机制的假说。他推测细菌内存在两类酶，一类为核酸内切酶，可特异识别噬菌体 DNA 并进行剪切，从而限制入侵；另一类为 DNA甲基化酶，对自身 DNA 相应序列进行甲基化修饰，破坏核酸内切酶的自我识别，从而避免“误伤”。1968 年阿尔伯和美国梅塞尔森(M.S.Meselson)同时从大肠杆菌鉴定出核酸内切酶，该酶可识别特定 DNA 序列，但是在随机位置上剪切 DNA，不具特异性，称为 I 型限制性内切酶。1970 年，美国微生物遗传学家史密斯(H.O.Smith)和同事又从嗜血流感细菌(Haemophilusinfluenzae)中分离得到一种核酸内切酶，该酶可特异识别噬菌体双链 DNA 并发挥剪切作用，但对细菌 DNA 无效，符合阿尔伯当初的预测。史密斯和同事还鉴定出该酶的识别及剪切序列。该酶被命名为 HindII，这是人类发现的第一个 II 型限制性内切酶。HindII 的发现引起科学界极大关注，从而掀起了一场寻找 II 型限制性内切酶的热潮。另一方面，限制性内切酶的巨大应用潜力不久就被史密斯同事内森斯(D.Nathans)发现和首...