魏建華：認識生命，而後編輯生命

知識 05-13

導語

「中國科學家培育出基因編輯瘦肉豬」、「基因編輯讓水稻對鎘說bye-bye」、「基因編輯有望治療多種常見遺傳病」……近年來，基因編輯在農業育種和生物醫學等領域掀起了一股熱潮。基因編輯到底是什麼？我們為什麼要研究基因編輯？基因編輯未來會怎樣？

本期專家

魏建華（北京市農林科學院農業生物技術研究中心主任、研究員）

基因蘊藏著生命的密碼。基因決定了老虎是老虎、貓是貓，決定了人類有兩隻眼睛一張嘴，甚至決定了我們的身體是否健康。

你一定能分清哪個是老虎哪個是貓

那麼，你想過某一天能夠通過改變基因來改造物種、修飾自己的容貌或者治療一些由基因引起的遺傳病嗎？

也許，基因編輯就能夠做到。

你可能早就聽說過這個名詞，也可能對其聞所未聞，但「基因編輯成為生命科學領域的革命性工具」已是不爭的事實。

戳下方視頻，5分鐘帶你了解基因編輯

基因編輯，一把神奇的剪刀

科學家發現一個有趣的現象：當細菌被病毒入侵時，會「命令」自己的一段核酸（RNA）帶著某個蛋白去尋找病毒的DNA，找到後這個蛋白就像剪刀一樣把病毒的DNA切斷，從而實現自我保護。

病毒侵染細菌

「在這個基礎上，我們對細菌防禦病毒的機制進一步研究，建立了CRISPR/Cas9系統。這個系統包含一條單鏈的導向RNA和有核酸內切酶活性的Cas9蛋白。」

導向RNA充當著「嚮導」的角色，Cas9蛋白則是剪刀。當導向RNA找到目標位點後，Cas9蛋白就會一把切斷DNA，手起刀落，被切斷的DNA就只好「任人宰割」了。

基因編輯技術原理

這就是人們通常所說的CRISPR/Cas9技術，也是第三代基因組定點編輯技術。我們只需要找到一個能識別目標基因的特殊「嚮導」，也就是設計一個特定的導向RNA，就能進行基因編輯。和前兩代基因編輯技術（ZFN技術和TALEN技術）相比，第三代技術要簡單得多，成本更低，而且非常高效。

這把剪刀能做什麼？

精準的基因突變

基因突變可以帶來新的性狀，而且在自然條件下就能發生。從人類從事種植活動開始，我們就在利用基因突變不停地對作物進行篩選。隨著人類改造自然能力的提升，我們還能夠運用人工手段（如輻射、化學藥劑等）來誘發突變，產生新的種質。但無論是自然突變還是人為誘發，這些突變都是隨機的，不可預測。而利用基因編輯技術，我們可以對基因進行定點編輯，做到「想讓哪個基因突變，就讓哪個基因突變」。

如果你是個居家過日子的人，可能經常會遇到這種狀況：買回家的蘑菇如果不趕緊吃完，過兩天就會變色，甚至黏糊糊的，這在生物學上被稱為「褐變」。研究發現，褐變是由蘑菇自身產生的多酚氧化酶（PPO）導致的，而控制PPO的相關基因有6個。賓夕法尼亞州立大學楊亦農研究團隊利用基因編輯成功地敲除了其中一個PPO基因，將這類酶的活性降低了30%，由此延長了蘑菇的保鮮時間。

今年10月，中科院動物研究所趙建國研究團隊宣布，他們利用CRISPR/Cas9 技術，向豬細胞內插入一種叫解偶聯蛋白1（UCP1）的基因，能夠減少脂肪沉積，增加瘦肉率。最終，他們培育出一批健康的瘦肉豬，比正常豬脂肪減少了24%。

未

來，豬也許能夠擺脫長久以來「胖」的標籤

「通過基因編輯產生的突變和自然產生的突變，本質上沒有區別，都是DNA片段（基因）發生了突變。不同的是，前者可以使突變得到更精確的控制。」

「不可能變為可能」

用常規的誘變方法來培育新品種就如同大海撈針，往往要碰運氣，而且相當耗時間。比如蘑菇的褐變，如果要靠隨機突變來篩選出多酚氧化酶基因突變的材料，那我們要使用多大容量的樣本？又需要花費多少年的時間？這在育種實踐中完全無法預測，篩選到這樣的材料也幾乎是不可能的，但「基因編輯」就能擔此重任。

「所以這已不僅僅是效率高低的問題了，而是從不可能變成可能」。

北京市農林科學院生物中心實驗室

基因編輯的未來

「目前大部分研究還停留在用它使基因產生突變這個層面，少部分可以做到讓某個鹼基變成另一個鹼基。下一步我們不僅要讓這個基因產生突變，還要讓它變成我們想要的序列，使得它的功能增強或減弱，更為精準地去改造物種。將來還可以實現定點插入和大片段的置換。最高境界當然就是利用這項技術，像做美容手術一樣，想把基因組序列改造成什麼樣，就可以是什麼樣。」