超越韩春雨？新一代基因编辑技术在南京大学问世(第三代基因编辑技术指的是)

超越韩春雨？新一代基因编辑技术在南京大学问世

2016年09月24日讯 《Genome Biology》报道了一种基于SGN的基因编辑新技术，以结构引导的内切酶（SGN，Structure-guided nuclease）实现体内外DNA任意序列的靶向和切割。论文一作为Shu Xu，论文通信作者为南京大学医学院附属金陵医院的周国华（Guohua Zhou）研究员、南京大学模式动物研究所的赵庆顺（Qingshun Zhao）教授和朱敏生（Minsheng Zhu）教授。做为基因编辑领域的从业者，读后很有感触，应BioArt主编之邀请，以半学术的方式、以随笔的形式写出，与各位分享，不严谨之处请大家各自消毒。

感触之一：构思巧妙，略有瑕疵，瑕不掩瑜。

论文中，作者巧妙地融合FEN1（Flap endonuclease-1，是一种可以特异性识别flap结构的核酸内切酶，参与DNA的复制，修复和重组过程；除此之外它还具有双链DNA特异的5‘-3’的核酸外切酶活性）和已经被成功用于ZFN和TALEN的DNA剪切结构域Fok I，结合标准化的linker（GS repeats），设计了一个chimeric protein，实现了可编程的基因编辑系统，具有以下特点：短链ssDNA导向的基因组特定位置；编辑结果是产生大片段的deletion（可以大于2.6kb）；可以在斑马鱼胚胎中成功编辑内源基因。这个构思，看得出包含ZNF以及TALEN的影子，其实这三者设计思路是一致的，其创新点在于靶向元件的选择十分巧妙，切割元件直接me too。令人惊喜的是，这种原创性工作出自我们中国科学家团队，略有遗憾的是，论文中体内靶点做的偏少，也没有以CRISPR或者TALEN为对照，导致尚不能够评估其相对低的编辑效率是来自位点特异性障碍还是来自技术本身（znf703基因编辑效率1/96≈1%；cyp26b1基因编辑效率是3/29≈10%、这个位点还真不低）。另外一点，如果SGN系统编辑结果是产生大片段的deletion，那么后期的同源重组做起来要相对困难（冒昧的揣测一下：FEN-1外切酶活性是否可以dead？貌似大片段的deletion应该是5'-3'的核酸外切酶活性引起的）。

感触之二：表述质朴谦逊，留下很大的优化空间。

通篇论文读下来，科学之外，还感觉到一种相对质朴的文风，措辞之间充盈着谦逊。这么讲，可能超出了学术范畴，所以称之为随笔，既然自己给自己开了这么一个后门，所以，干脆就谈出来，好在笔者与南京大学与作者没有关联，也就没有了套磁之嫌疑。例如，在基本术语上作者没有跟风：“SGN”而不是“ssDNA guided Nuclease”，“DNA editing”而不是“genome editing”，这些细节都能够体现出一种“独立性”。基因编辑技术的效率是极其重要的，目前看在这篇论文中，作者没有更多地报道相关的条件优化工作，例如效率瓶颈是存在于guide DNA与靶向区域的结合效率？还是存在于SGN的识别效率？整个生物学场景之中，目标区域的DNA melting究竟有多重要？是转录相关事件还是复制相关事件？（冒昧的揣测一下：是不是质粒编辑实验中采用可诱导启动子即可帮助判断？）当然，不应该要求一篇论文解决和回答这么多的科学或技术问题，但是可以预计，这个新工具可能还有较大优化空间，期待着他们更多的进一步报道。

感触之三：就是要挑战CRISPR，尽管它似乎难以逾越！

众所周知，今年5月2日《Nature Biotechnology》在线发表河北科技大学韩春雨博士“一鸣惊人”的论文，报告了一种NgAgo-gDNA基因编辑新工具，尽管因不可重复而使韩春雨“一波三折”地陷入学术诚信危机，但是，此文也算是高调地揭开了挑战CRISPR暗中竞赛的盖子。尽管CRISPR如日中天，甚至有“long live CRISPR”之类的戏言，但是，CRISPR并不完美，这种“不完美”不仅仅来自Off-target、PAM的限制性、难以实现单碱基精确编辑之类的技术瑕疵，更是来自人类对新技术的“天然贪婪”，来自根深蒂固的奥林匹克精神“更快、更高、更远”，来自我们骨子里的征服欲。正如哈佛大学医学院遗传学教授George Church所言：新技术都是脆弱的，随时可能被取代；加州大学圣迭戈分校的Prashant Mali 说的更直白“我们需要的不止这些”。所以，从技术使用者的角度看，CRISPR是大自然和几位先锋科学家送来的珍贵礼物，在欣然拥抱它的同时、当然也期待着更好的技术出现；从技术开发者的角度看，大红大紫般火热的CRISPR又是新的竞赛标杆，它令人嫉妒地、高傲地立在那里，挑逗和激发着人们超越它的冲动。

感触之四：源自天然、超越天然，从基因编辑技术演化史看“工程化”在技术工具开发中的重要性。

有人把基因编辑技术做了“断代工程”，给技术划代，很形象、也利于普及，但是有时候也比较困难。一般地，理论上可以在哺乳动物细胞中近乎任意位点切割并引发编辑的ZFN、TALEN以及CRISPR，它们在时间节点上依次出现、而且效率和便利性也越来越好，所以被称为第一代、第二代、第三代基因编辑技术（1G、2G、3G）。笔者愿意把他们称之为大众基因编辑工具，因为对应着的还有一些小众工具，鉴于其自身的技术局限和缺陷，并没有被大家普遍接受。今天，先聊一聊大众工具，随后加一些小花边，再聊聊那些正在被淘汰和被遗忘的小众工具，补充这些小众工具的演化史，可以更加清晰地看出技术发展脉络，或许从中获得另外的灵感和启发。

从大众工具看，“工程化”贯穿始终。现代中文语境中，一直有一种混淆科学与技术的“语义学”困境。科学与技术相关但不相同，有人形象地这样区分科学与技术：know what，know why是科学，know how是技术。基因编辑总体上是一种技术，其相关工具的开发，起步于科学发现，但是不止步于科学发现。例如，从现有公开文献看，CRISPR最重要的科学发现节点是2011年卡彭蒂艾（Emmanuelle Charpentier）对tracrRNA的生物学功能的阐明。但是，有时候，造物主很懒，他开辟了这个世界之随后可能置之不理了。所以，大自然留给我们的礼物，有时候配不上我们征服的野心，因此，就人类目标而言，我们从来都不吝啬和迟疑于改进和再造。果然，随后的2012年，卡彭蒂艾就会同詹妮弗·刀娜（Jennifer A. Doudna）联合发表了划时代论文，把tracrRNA和guide RNA合二为一，做成了工程化的“chimeric single guide”，sgRNA由此诞生。而在CRISPR-Cas工程化、模块化方面贡献最大的，应该首推华人科学家张锋教授。除CRISPRi、 CRISPRa之外，早在2013年的综述中，张锋教授就展望了包括把Cas设计为光控模式在内的各类工程化方案。而就是在本月，又推出了两项以遥控sgRNA的方式对CRISPR实施即时控制的技术方案。哈佛和神户大学的团队先后发表了利用“工程化”措施将AID与dCas9做成chimeric protein实现了不依赖于同源重组的单碱基编辑。就在本月初，MIT的团队创建了光敏感的sgRNA技术；几乎与此同时，深圳的科学家团队报告了“化学控制”的sgRNA的控制技术。

让我们把视野再回望到ZFN和TALEN，更是工程化的杰出案例，直至今天讨论的SGN，其“动作模块”甚至“毫不动摇”地使用FokⅠ，所变换进化的是“GPS定位模块”。这堪称技术演化之中还留下了历史痕迹，好似“保守序列”一样，让人惊叹“自然进化”与“人工进化”异曲同工之奇妙。

所以，基因编辑工具开发工程化的基本方程式是：GPS定位模块+执行模块。话分两头说。

先聊“执行模块”。FokⅠ屡战屡胜，但是，一定还有其它选择，毕竟，造物主应该是慷慨的，地球生命演化了四十亿年，留下的自然遗产极为丰富。

再聊聊GPS定位模块。这个模块工作效率及操作便利性如何，是基因编辑工具“好不好使”的关键。ZFN和TALEN的主要特点是：以蛋白质特定结构域来完成靶向定位，其主要缺陷是：定位模块体外准备麻烦，工作量大成本高；相比之下，CRISPR-Cas却方便的多，所以在总体竞争中胜出。但是CRISPR-Cas还是或多或少存在Off-target的弊端，为了解决这个问题、进一步强化定位精准性，已有报道以dcas9为定位器，融合上FokⅠ，实现正义链和反义链双向定位、并形成FokⅠ二聚体造成DNA双链断裂（DSB）、引发编辑。本次讨论的南京大学的这篇文章，再一次创新了GPS定位模块，首次采用FEN-1（flap endonuclease-1）来执行定位功能，将定位指令转化为方便人工编程的guide-ssDNA，做的很巧妙。

聊到这里，下一个创新近似于呼之欲出：尽管NgAgo似乎失败了，但是它工程化改造的前景呢？pAgo做为基因组“GPS定位模块”的可能性，怎能不令工具开发者怦然心动，就连我那个简陋的实验室，都已经于几个月前就开始努力了，万一大牛们漏掉了某些创意呢？

总之，GPS定位模块+执行模块=基因编辑工具，两个模块的重点是定位模块。设计灵感源自天然存在的自然遗产、但不止步于天然存在。自然界留给我们很多的提示和启发，例如：位点特异重组酶（site specific recombinase）如何？整合酶（integrases）如何？转座酶（transpotase）如何？其它未知的recombinase如何？这个领域的干法和湿法挖掘竞赛应该一直在进行。张锋曾说到：“通过对多种酶进行探索，我们可以得到一个更强的基因组编辑工具箱。我们必须继续探索未知。”

最后的花边：从G0谈起，回顾一下“沦落”为小众的基因编辑工具。

上世纪七十年代末，利用限制性内切酶实现了质粒体外重组，标志着第一代基因工程的诞生。随后，基于同源重组的体内染色体水平的基因工程成为现实，但是由于重组率极低，必须使用抗生素抗性或营养缺陷等标记加以筛选，做不到无痕编辑。之后，尽管发展了反向筛选标记、cre位点预埋及抗性回收等技术措施，但是，还是繁琐和低效。业界对无标记的无痕基因编辑技术是十分期待的，无标记无痕的关键在于编辑效率，只要效率达到百分之一以上的数量级别，就有希望。这里让我们一起回顾一下两个小众工具，作为“绿叶”来衬托一下广为人知的大众工具。

其一，G0代的重组工程（Recombineering）。上世纪90年代末，基于λ噬菌体的Red重组酶的重组工程（Recombineering）出现了，这个领域中，中国科学家于代冠（Daiguan Yu）跟随NIH的Donald L . Curt，做出了不少贡献，于代冠博士后来回到了中科院广州生物医药与健康研究院。基于Red系统，哈佛大学George Church于2008年在《Nature Biotechnology》上发表了改进版的MAGE，可以自动化地在数天内引发十亿计的突变；至2013年，Church又把基于ss-oligo的的重组工程从大肠杆菌扩展到酿酒酵母，这个过程还与rad51/rad54相关，被Church发展成YOGE技术，之所以特别强调Church，是因为这位伟大的科学家也是早期CRISPR的推进者之一，他采用Cas9编辑高等细胞基因组的论文，与张锋“同框”于2013年1月的Science。但是，重组工程最终没有能够再扩展到其它物种，特别是没有实现哺乳动物细胞的基因编辑。大肠杆菌的Red/ET系统，也是重组工程的重要实现工具，也是目前仍在普遍使用的分子生物学基本操作工具，这个系统源自中国科学家张友明在欧洲留学工作期间做出的开创性工作，张友明博士后来回到山东大学工作。总体上，基于寡核苷酸入侵的重组工程可扩展性不够好（局限于原核的细菌、真核最多跨到酿酒酵母），效率相对低下（在千分之一到百分之一之间），难以大幅度优化。

其二，G2.5代的Targetron。这个来自原核微生物防御机制的Targetron技术，笔者更愿意把它称之为2.5代技术，不是因为它的效率，而是因为它的GPS定位模块的工作方式，其方式是结合了“个别DNA位点的蛋白质识别”和“其它位点的RNA识别”，而且识别序列是可编辑的、可以“reprogrammable”的。这个编辑工具的大本营首推德克萨斯大学奥斯汀分校，他们有对外开放的设计软件及一些技术服务，但是，它编辑复杂、使用困难、物种可扩展性不高，梭状芽孢杆菌是可以用的，中科院微生物所李寅组和上海的杨晟组都有相关工作。总之，仍然是一个小众工具。

SGN将会如何？是小众工具还是能够发展成大众工具呢？pAgo能不能进一步W为NgAgo“正名”？能不能正名之后再发展成大众工具呢？前提是solid、可重复，并且用户友好。让我们拭目以待吧！

源于天然而超越天然，正道也！再次祝贺南京大学科学家在基因编辑领域的这项重大突破！

第三代基因编辑技术指的是

自2016年5月2日韩春雨作为通讯作者的“基因编辑技术NgAgo”论文发表引起关注、5月底质疑的声音开始出现，韩春雨实验的可重复争议，不仅科学界议论纷纷，在社会层面也引发了相关讨论。那么，基因编辑技术到底是一项怎么样的技术呢？为什么它这样备受瞩目？今天我们就一起去扒一扒基因编辑技术的“真面目”！

（图片来自网络）

基因编辑技术到底是个什么鬼？

首先我们先介绍一下基因编辑的概念。实际上，“基因编辑”这四个字是比较简化的，严格来说我们应该称它为“基因组定点编辑技术”。这里我们要注意两个关键词，一个是“基因组”，它要在细胞核的基因组里面。

另一个是“定点编辑”，因为在细胞核的基因组里面，不同的基因都有不同的位点。如果我们不是说在特定的基因组位点进行编辑的话，实际上和我们现在讨论的这个技术就大相径庭了。因为有很多其他技术可以改变细胞内的DNA组成。比如线粒体基因替代技术。还有一个就是用重组过的特异性病毒引入外源基因，但是它不能够定点，它是随机放到基因组里面的，这和我们今天要讨论的基因编辑技术都是不一样的。基因编辑技术，也就是“基因组定点编辑技术”，这个技术指的是对特定DNA片段的敲除、加入以及定点突变。

（图片来自网络）

基因编辑技术的历史

实际上，基因编辑技术不是一个新的概念，早在90年代就开始有了。到目前为止，已经经历了三代。

第一代基因编辑技术就是同源重组建立动物基因敲除（knock-out），基因敲入（knock-in）的基因突变模型。顾名思义，基因敲除（knock-out）指的是把原有的动物基因组的某些基因通过一定的技术把它从动物基因组里敲除出去；基因敲入（knock-in）则是在动物基因组某个位点上把原本不存在的基因通过一定的技术把它整合进去。基因敲除（knock-out）和基因敲入（knock-in）是通过DNA同源重组技术来完成的。这是一个非常复杂的技术。如果要做成一个成功的动物基因敲除（knock-out），基因敲入（knock-in）的基因突变模型，大概需要花费2到3年的时间，投入的资金也比较多。另外，这个技术一般来说是用于建立遗传疾病研究的动物模型，很难用于临床或者说大面积应用在农业畜牧业方面。

第二代基因编辑技术是ZFN,TALEN技术。这两个技术的原理都是通过DNA核酸结合蛋白和核酸内切酶结合在一起建立一个系统。因为这些蛋白可以识别一定的核苷酸序列，通过一定设计形成的系统可以对特定的基因进行基因敲除和基因突变。

第三代基因编辑技术就是最近非常火的CRISPR/Cas9 系统。它的原理就是利用核糖体结构来进行基因编辑。CRISPR/Cas9 系统经过一定的设计可以结合到靶基因上，然后对这个靶基因进行敲除、定点突变或者引入新的外源基因，来进行基因编辑。

（图片来自网络）

为什么第三代基因编辑技术备受瞩目？

确切地说，这三代基因编辑技术到目前为止都存在一定的技术局限性。第一个比较明显的局限性就是脱靶效应。那什么是脱靶效应呢？比如原本设计是对某一个DNA靶点进行基因编辑，但是一直找一直找，却没有找到正确的靶点，实际上却跑到这个点组成相似的位点去了，这就出现了脱靶。

最新的基因编辑技术，可以做到什么地步？

成功让雄性老鼠体细胞变成卵细胞
当地时间3月8日，在英国伦敦召开的第三届人类基因组编辑国际峰会上，来自日本九州大学的林克彦（Katsuhiko Hayashi，音译）教授介绍了该研究的详细情况。
该技术包括首先从雄性老鼠身上提取皮肤细胞，然后将其转化成类似干细胞的状态，以创建所谓的诱导性多能干细胞（iPS cells）——一种可以转化为其他类型细胞的细胞。因为该皮肤细胞从雄性老鼠身上提取，因此具有XY染色体。林克彦教授的团队剔除了其中的Y染色体，再向另一个细胞“借来”一个X染色体，然后将两个X染色体巧妙地“粘”在一起。这一流程使得干细胞变成卵细胞。
“这其中最大的诀窍就是X染色体的复制。”林克彦教授说，“我们真的试图建立一个系统来复制X染色体。”
最后，拥有两个X染色体的这些细胞被放置在一个卵巢类器官中进行培养，从而形成卵子。当与正常精子受精后，科学家们获得了大约600个胚胎，并将其植入代孕老鼠体内。最终，代孕老鼠诞生了7只小鼠幼崽。
这些小老鼠看起来很健康，会有一个正常的寿命，并在成年后得以继续生育后代。“它们看起来还不错，在正常生长，以后能够成为父亲。”林克彦教授表示。实验中约1%的生产成功率低于用正常女性卵细胞能够达到的5%的成功率。
不孕不育症患者的新希望？
现阶段该技术还不能安全用于人类
林克彦教授表示，该研究的主要动机是希望能够为罹患不孕不育症的夫妻提供一种生育治疗方法，例如患有特纳综合征的妇女，她们拷贝的X染色体有一整个或部分缺失的情况。
他继续补充，目前，这项研究仍处于早期阶段，卵细胞的质量不高。“即使在老鼠身上实验，卵细胞的质量也存在很多问题。因此，在考虑将其作为一种生育治疗方法之前，我们必须克服这些问题，这可能需要很长的时间。”他表示。
同时，在这个阶段，技术还不能安全地用于人类。但是，他认为这一问题能够在10年内得到解决。然而，部分科学家认为这一时间估计过于乐观，因为目前在实验室条件下还未能从女性细胞中创造出可行的人类卵细胞。并且，也有科学家提出，人类的细胞需要更长的培养时间来产生一个成熟的卵细胞，这可能会增加细胞获得不必要的遗传变化的风险。
此外，林克彦教授还提出对社会是否能够接受这一技术的担忧。他并不赞同男性用自己的精子和人工制造的卵细胞来创造一个婴儿。“在技术上这是可能的。但是我不太确定在现在这个阶段，它是否安全或为社会所接受。”他补充到。林克彦教授已经向科学杂志《自然》提交了这一研究。
中国科学院的王浩义教授认为，在考虑将该技术应用于临床之前，还有很长的路要走。“科学家从不说永远，原则上，实验已经在老鼠身上完成了，当然它可能在人类身上实现。但我可以预见到未来（该技术）会遇到很多挑战，我无法预测（克服它们）将花费多少年。”
红星新闻记者 王雅林 实习生 王慕宁

韩春雨团队在《nature biotech》上发表的 ngago 基因编辑技术是什么？有何突破

NgAgo-gDNA技术是以DNA作为引导工具的基因编辑技术。NgAgo-gDNA技术的工作原理与CRISPR-Cas9技术有些类似，都是在引导工具的引导下，令核酸酶对特定位点的基因序列进行切割，从而进行基因编辑。不同的是NgAgo-gDNA技术中所用到的引导工具是一段引导DNA（gDNA）而不是CRISPR-Cas9技术中的RNA。由于也不需要通过蛋白（如锌指蛋白）来寻找需要替换的序列，因此，NgAgo-gDNA技术与CRISPR-Cas9技术一样，较之前的基因编辑技术，在操作上要简单方便得多，利于其在应用中的推广。
NgAgo-gDNA技术所用的核酸酶是NgAgo，一种存在于格氏嗜盐碱杆菌(Natronobacteriumgregoryi)中的Ago内切核酸酶蛋白。Ago核酸酶最初是由荷兰科学家发现其可以有效地利用单链DNA作为短介质，去相对精准地切割基因组靶点。而最初的研究的局限性在于实验所需要的温度在65-75摄氏度，不能在生理条件下完成。而通过韩春雨教授团队的不断搜寻，最终他们发现来自于格氏嗜盐碱杆菌的Ago同源蛋白可以在生理条件下实现类似的功能。
NgAgo-gDNA技术可能比CRISPR-Cas9技术拥有更多优势，与CRISPR-Cas9技术相比，NgAgo-gDNA技术可编辑的靶位点的选择范围更大。因为Cas9需要与基因组上19个碱基配对，并要求在这组碱基后紧邻一个特定的三碱基序列（PAM序列），一定程度上限制了靶位点的选择范围，而NgAgo-gDNA技术中靶位点的选择则不受PAM序列的限制，编辑对象所受限制更小，几乎能编辑基因组内任何位置。
另外，与NgAgo结合的gDNA长度为24个碱基，这比与Cas9结合的19个碱基的gRNA要长5个碱基，理论上其精确性要提高1024（4的5次方）倍。并且韩春雨团队的研究还发现，与CRISPR-Cas9相比，NgAgo–gDNA系统对向导序列-靶序列错配容忍度很低。编辑精准度更高，能更有效地避免脱靶现象。

本文地址:http://dadaojiayuan.com/jiankang/297107.html.

声明： 我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本站部分文字与图片资源来自于网络，转载是出于传递更多信息之目的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们(管理员邮箱：douchuanxin@foxmail.com)，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!

上一篇: JBC：淀粉样蛋白如何进入到大脑中

下一篇: 表观遗传时钟让你躲不过“死神”