基因组编辑：改码生命，人定胜天
谷峰1票、高彩霞2票
温州医科大学附属眼科医院眼科学与视觉科学国家重点实验室，浙江省温州325000
中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组编辑中心植物细胞与染色体工程国家重点实验室，北京100101
人类社会的发展是一个漫长的自然历史过程，在此过程中，人与自然之间不断的“摩擦和碰撞”刺激了大量的“物质、能量和信息”交流。从“饮血养发”到“钻木取火”，从“神农尝百味”，到植物栽培和动物驯化，到优质高产品种选育，再到今天的分子定向育种，都显示了与人类健康息息相关的人类物质文明的显著进步。如今，动物、植物和微生物的定向选择(育种)已经成为人类生产的重要组成部分。畜牧业的发展为人类提供了高蛋白、高质量的肉和奶。农作物品种的选育为人类提供了优质的植物蛋白和天然多糖(淀粉)。微生物的定向繁殖优化了人类疫苗、抗生素和其他药物的生产方法。
毕竟，定向繁殖的本质是个体基因组变化的结果。传统的遗传育种是一个费时、费力、费钱的过程。然而，新的基因组编辑工具的发展为遗传育种的定向选择提供了一种有效的方法。从编辑动物、植物和微生物基因组到人类基因组，新的基因组编辑工具显示出巨大的潜力。编辑人类基因组可以用来治疗人类遗传性疾病。以镰状贫血为例。美国医生詹姆斯·赫里克于1910年首次发现了这种疾病。在过去的100年里，人类一直试图治疗这种疾病，但没有成功。面对疾病，人类总是“软弱”。新的基因组编辑技术，如“黑夜中的灯塔”，给疾病治疗带来了“光明”。目前，该技术在治疗相应的小鼠疾病模型方面取得了一定的成功。简而言之，以基因组编辑技术为代表的新一代生物技术正在引领生物医学领域的一场革命，这场革命正在“改变”我们的世界和人类。为了向读者系统地介绍基因组编辑领域的进展，《生物工程杂志》推出了一期以“基因组编辑”为主题的特刊。本期特刊描述了基因组编辑领域的概况和许多相关领域的进展，并从动物、植物和技术方法学方面展示了它们。
非人灵长类动物由于其与人类非常相似的遗传背景，在生命科学基础研究和生物医学研究领域具有无可比拟的地位。近年来，由于基因组编辑工具的迅速发展，通过对非人灵长类动物受精卵的遗传操作，可以获得基因的随机或定点修饰。中国科学院神经科学研究所的孙强团队回顾了利用慢病毒载体或靶向核酸酶对猴子进行基因编辑的研究进展，并总结了几个关键因素。同时，展望了非人灵长类基因修饰模型构建技术的研究热点和发展趋势。该综述将为科研人员开展非人灵长类动物基因组编辑提供思路，具有很好的参考意义。
斑马鱼作为一种常用的模式生物，在生物医学研究中具有许多优势:易于实验室繁殖和繁殖，世代短，后代多，遗传背景清晰，实验操作简单。南通大学刘东团队用清晰的示意图简要总结了斑马鱼的遗传操作方法和基本原理，并介绍了基因组编辑技术在该模式生物中的应用。同时，作者还以击倒的形式介绍了NgAgo在斑马鱼中的作用。
秀丽隐杆线虫是一种遗传模式生物。它具有生命周期短、基因组小、基因数量多、易于遗传操作、全身透明、易于显微观察等优点。它广泛应用于发育生物学和神经生物学研究。CRISPR/Cas9基因组编辑技术进一步加速了对其基因功能和各种生物学问题的研究。浙江大学的徐素红团队主要总结了CRISPR/Cas9基因组编辑技术在秀丽隐杆线虫中的开发和应用。此外，还对基因组编辑技术在秀丽隐杆线虫中的应用进行了展望。
CRISPR/Cas9基因组编辑技术作为生命科学领域的革命性工具，不仅用于动物建模，而且为基础植物学研究和作物遗传改良提供了高效、快速、廉价的遗传操作工具。华中农业大学的谢卡斌团队简要介绍了CRISPR/Cas9相关技术的原理、过去两年中可用于植物编辑的新技术以及CRISPR/Cas9在作物遗传改良中的潜力和挑战，为CRISPR/Cas9在作物中的应用提供了有价值的参考。中国水稻研究所的王克俭团队主要研究CRISPR/Cas9在植物中的研究进展，包括CRISPR/Cas9在植物中的应用和改进、基因组编辑范围的研究、Cas9切刻酶和灭活酶的扩展、特异单碱基突变编辑系统的研究、无外源DNA污染的植物基因组编辑技术的开发以及基因组编辑技术在作物育种中的应用等。同时，提出了有待解决的问题，并展望了基因组编辑系统在作物育种中的应用前景。中国农业科学院作物科学研究所的谢传晓团队利用CRISPR/Cas系统进行基因替换，并对其原理、实现方式、影响因素、应用及前景进行了进一步总结和探讨，为高等植物开展基因功能鉴定和遗传改良研究提供参考。对于苜蓿这一世界上应用最广泛、经济价值最高、种植面积最大的优质豆科牧草，中国农业科学院生物技术研究所的林浩团队通过CRISPR/Cas9技术对其介导的基因组编辑进行了探讨和展望，希望能为苜蓿等豆科牧草的功能基因组学研究和遗传改良提供新的研究思路。
水稻作为最重要的粮食作物，在国民生活中起着重要的作用。基因组编辑技术为水稻的新型遗传育种提供了新的“动力”。中国农业科学院植物保护研究所的周焕斌团队通过rBE系统使用特定的sgRNA获得了带有一些突变的突变材料。同时，利用该系统可以实现多位点突变，产生的突变可以稳定地遗传给后代。该研究结果表明，rBE系统可用于定制基因功能，获得水稻新品种，对水稻基因功能研究也有很大的推动作用。
基于CRISPR/Cas9的基因组编辑系统已经成功应用于许多领域。为了实现高效的目标编辑，计算机程序辅助设计RNA(引导RNA)已经成为CRISPR系统成功编辑基因的关键步骤之一。目前，我们主要致力于利用计算模型来提高sgRNA的敲除效率，减少其误靶。同济大学的刘淇团队讨论了现有的设计工具。通过建立一个有效的计算模型来获得无偏的设计规则并预测影响设计的关键特征，可以整合和挖掘当前的基因编辑数据。
尽管基因组编辑技术的成功发展为人类疾病的治疗和预防提供了极大的便利，但相关的靶缺失问题仍然是制约其作为临床药物用于治疗人类疾病的重要瓶颈。温州医科大学谷峰团队分别介绍了三种主要的基因组编辑工具(包括锌指核酸酶、转录激活子样效应子核酸酶和规则聚类间隔短回文重复序列/Cas系统)，并分别总结和讨论了其缺失靶位、优化方案和检测方法的现状，为基因组编辑技术在动植物中的应用研究和人类遗传病的治疗研究提供参考。
本期特刊的发行希望成为中国基因组编辑领域的一个新的“坐标”。在这个新的“坐标”中，人们希望基因组编辑技术本身能够得到更好的发展。与此同时，最好的基因组编辑技术可以“整合”到不同的学科和领域，为人类健康和生产高质量的工农业产品提供保护。
本文是《生物工程学报》2017年基因组编辑专刊的前言。最初的链接是:http://journals.im.ac.cn/CJBCN/ch/reader/view？file_no=gc17101661&flag=1
链接到本期特刊的全文:http://journals.im.ac.cn/cjbcn/ch/reader/issue_list.aspx?年id = 2017 &季度id=10
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