玩兒轉「基因編輯」

隨著生物技術的日新月異，新的技術可以帶來更廣闊的發展前景，例如，DNA 鏈可以被切開進行改造之後再重新連接，也就是說，人們可以像編輯文字一樣，對基因進行編輯、改造，以期獲得，這項技術稱為基因編輯技術。基因編輯指能夠讓人類對目標基因進行「編輯」，實現基因的敲除、特異突變引入、定點轉基因等。

基因編輯技術的發展

基因編輯技術的發展經歷了三個階段：ZFN技術、TALEN技術和 CRISPR/Cas9技術。目前，應用最為廣泛的是CRISPR/Cas9技術，它是繼ZFN 技術、TALEN技術之後出現的第三代基因組定點編輯技術，主要利用RNA 引導Cas9 核酸酶在多種細胞的特定基因組位點上進行基因的切割，改造。

相比前兩代基因編輯技術，CRISPR/Cas9 具有可同時編輯多個位點、編輯效率高、設計過程簡單易操作等優點，成為目前最流行、應用範圍最廣的基因編輯技術，已經成功地用於DNA 敲除、DNA 修復、DNA 修飾、DNA 標記等研究中。短短几年內，研究對象囊括了大腸桿菌、酵母、水稻、玉米、小麥、煙草、牧草、斑馬魚、小鼠和豬等多種生物體，被廣泛應用到醫藥、農業、工業等領域。

基因編輯技術的應用

隨著科學技術的不斷發展，CRISPR/Cas9 技術體系不斷完善和升級，其應用領域也在逐漸拓展，能源、環保、健康等領域應用將會迅速鋪開，同時該技術將不斷與其他類型技術相融合，如與基因測序、基因表達的分析、疾病的模型、藥物遞送等技術相結合，使得這些技術的應用領域更加廣泛。

1、利用基因編輯技術解決果蔬褐化問題

日常生活中，我們經常能看到有些果肉呈白色的果蔬在切開之後不久便會顏色變暗，有的甚至逐漸變成深褐色。在化學中，這種現象其實屬於一種正常的氧化反應，稱為褐化，它並不會帶來任何的負面作用，只不過這種變化影響了果蔬的的美觀。另外，在一定程度上會降低果蔬的口感，可謂是用之嫌棄，扔之可惜。

如何避免褐化？

我們能想到的最簡單、最直接的方法或許就是隔絕氧氣了。其實，生活中也不乏有這樣的例子，廚房中的保鮮膜、食用鹽在一定程度上發揮出很大作用！人們經常將剛剛切開的新鮮果蔬用保鮮膜封住切口，或者泡在鹽水裡，以此來減少切口與氧氣的接觸程度。這樣的方法看似有用，但也不能作為永久之計。要想隨時隨地完全對抗氧氣的干擾，並非易事，況且經過泡水，果蔬的口感必然損失不少。

以雙孢菇為例。雙孢菇，又叫白蘑菇，是一種常見的食用菌種。切開不久的雙孢菇經常會出現褐化現象。究其原因發現，原來，是有一類稱為多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase，PPO)的物質在作祟！這種物質分布廣泛，植物、真菌和昆蟲的細胞中均有存在，作為生物催化劑作用於具有抗氧化功能的多酚。

在健康的植物細胞中，多酚和PPO是相互獨立的兩類物質，一個住在液泡中，一個住在類囊體中，當細胞受到損傷時，兩種物質會發生結合，在PPO 酶的強烈催化下，多酚類物質和氧氣迅速結合併發生反應，這時果肉逐漸變色。

為了避免褐化，科學家嘗試從果蔬本身入手。

首先，考慮降低多酚類物質的含量，但是這個方法實現起來比較困難，因為在植物體內，能產生這類物質的反應非常多，並且它們還在其他生理過程中扮演著重要角色，如果完全將其剔除，後果難以預料。

最徹底的方法就是使PPO酶失去活性。例如，通過加熱將蓮藕或者馬鈴薯汆燙在100℃的沸水中幾十秒就可以使PPO酶失活，這樣蓮藕和馬鈴薯再也不會被褐化。但是對於水果來說，這種方法似乎也不可取。不過，在科學家不斷努力下，終於有了一種既能消除PPO，不與多酚發生反應，又能保證果蔬本身口感的方法：基因編輯技術！

賓夕法尼亞州立大學科學家楊亦農是基因組編輯雙孢菇的帶頭人，他帶領的團隊利用CRISPR/Cas9技術對雙孢菇進行了基因組編輯，編輯的位點是一類編碼導致褐變的PPO酶的基因家族。具體方法是通過基因編輯敲除了6個PPO酶基因中的一個，敲除基因後的雙孢菇體內PPO酶活性較原來降低了30%，由此獲得具有抗褐化能力的雙孢菇。

這種雙孢菇作為首個CRISPR/Cas9編輯的有機體已經得到美國農業部的「通行證」，由於沒有引入外來基因，並不需要對其進行一系列監管措施，很快便上市進行售賣。

2、改善果蔬的口味

除了雙孢菇之外，科學家還對番茄做了基因編輯，找到決定西紅柿風味的相關基因，對它們進行修改，培育出更加美味可口的西紅柿品種。

科學家預測：從理論上來說，未來人們想吃什麼風味的番茄，都可以通過基因組編輯技術來實現了！

3、提高食品和作物的品質

另外，通過「編輯」基因，一些高品質、高產量的農作物和水果蔬菜也將相繼問世，例如，澱粉含量提高的水稻、亞麻酸、亞油酸等優良成分比重增加的大豆、纖維含量提高的優質棉等，甚至，還能修改控制花卉顏色和品質的基因，創造出更加豐富絢麗的珍稀花卉品種。

4、醫學領域的應用

當然，基因編輯技術的應用不僅僅限於以上這些領域，它還在醫學領域中大顯身手！它就像一把精準而且靈敏度極高的手術刀一樣， 能夠在活細胞中快速、精確地修改病變基因，從而實現腫瘤等疑難雜症的基因治療。另外，還可以高效的建立細胞和動物模型，用於對疾病發病分子機制的深入解讀等等。目前，基因編輯已被用於艾滋病、鐮刀型細胞貧血症等重大疾病的嘗試治療方案。

我們不難相信，基因編輯將在很大程度上推動生物學、農業、醫學等領域的發展，並且帶來革命性的變化。加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna和瑞典于默奧大學亥姆霍茲感染研究中心的Emmanuelle Charpentier作為CRISPR基因編輯技術的發現者之一獲2015年生命科學突破獎；2018年麻省理工學院的80後終身教授張鋒則由於其在基因修飾技術CRISPR-Cas9上做出的突出貢獻新當選美國人文與科學院院士。

也許在不久的將來，我們可以看到更多抗褐化的水果和蔬菜新品種，同時也可以期待它應用於基因治療的潛力，為人類帶來更多福利。

作者簡介：

王友華，男，中國農業科學院生物技術研究所科技管理處副處長，主要從事科技管理、知識產權研究、科學普及等工作。作為《轉基因科普系列叢書》的主要完成人之一獲科技部2013年全國優秀科普作品獎，作為《轉基因-給世界多一種選擇》的主要完成人之一獲科技部2014年全國優秀科普作品；獲2015年中國農業科學院科研管理優秀論文獎。

轉載聲明：本文轉載自「生物技術通報」，搜索「生物技術通報」即可關注。

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