基因组编辑与工程

基因组工程将DNA的读取转化为重写，利用可编程工具在选定位点切割DNA，从而精确地删除、纠正或插入序列。

Definition

基因组编辑是指使用可编程核酸酶，最突出的是CRISPR-Cas系统，在选定位点对生物体的DNA进行靶向改造，其中指导RNA引导酶切割匹配序列。

Scope

本主题涵盖重组DNA技术的基础、早于CRISPR的靶向核酸酶、CRISPR-Cas9系统及其指导RNA如何引导切割、完成编辑的修复途径、碱基编辑和先导编辑，以及基因组编辑的主要应用和伦理考量。它涉及基因组的有意修改；序列变化的自然来源在突变和重组部分介绍。

Core questions

• 指导RNA如何引导Cas9酶到达特定的DNA序列？
• 细胞修复途径如何将靶向切割转化为缺失或精确纠正？
• 碱基编辑和先导编辑如何在不产生双链断裂的情况下改变DNA？
• 基因组编辑能力带来了哪些应用和伦理问题？

Key concepts

• 重组DNA和早期靶向核酸酶
• CRISPR-Cas9和指导RNA靶向
• 非同源末端连接修复和同源定向修复
• 碱基编辑和先导编辑
• 编辑的应用和伦理

Mechanisms

在CRISPR编辑中，短的指导RNA与靶DNA序列碱基配对，并定位Cas9核酸酶切割双链；细胞随后通过易错的末端连接（可能破坏基因）或通过使用提供的模板进行同源定向修复（可以实现精确改变）来修复断裂，而碱基编辑器和先导编辑器则在不产生完整双链断裂的情况下，通过化学方式转换或重写碱基。

Clinical relevance

基因组编辑已产生针对遗传性血液疾病的获批疗法，推动了纠正致病突变和工程化细胞疗法的研究，并引发了重要的伦理问题，特别是关于人类生殖系的可遗传编辑；本条目旨在教育，并非临床使用指南。

History

20世纪70年代的重组DNA技术首次实现了基因的切割和连接，21世纪初的锌指核酸酶和TALEN核酸酶带来了可编程靶向，2012年CRISPR-Cas9可通过指导RNA进行编程的演示使精确编辑变得简单和普及，为杜德纳和沙尔庞捷赢得了2020年诺贝尔化学奖。

Debates

可遗传的人类生殖系编辑

编辑胚胎或生殖细胞会将改变传递给后代，引发关于安全性、知情同意、公平性以及治疗与增强之间界限的未解决问题；大多数权威机构目前认为临床生殖系编辑为时过早且伦理上存在争议。

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier
• Feng Zhang

Seminal works

• jinek2012

Frequently asked questions

CRISPR如何知道在哪里切割？

一段短的指导RNA带有一个与预期靶点匹配的序列；它与该DNA碱基配对，并将Cas9酶带到正确的位置，因此改变指导RNA可以重新编程系统以切割不同的序列。

CRISPR编辑总是精确的吗？

编辑可能存在脱靶效应，并且切割的修复并非完全可控，这就是为什么碱基编辑和先导编辑等新方法旨在提高精确性，以及为什么安全性评估对于任何治疗用途都至关重要。