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玩儿转“基因编辑”

花匠小妙招
2024-09-28 11:07

随着生物技术的日新月异，新的技术可以带来更广阔的发展前景，例如，DNA 链可以被切开进行改造之后再重新连接，也就是说，人们可以像编辑文字一样，对基因进行编辑、改造，以期获得，这项技术称为基因编辑技术。基因编辑指能够让人类对目标基因进行“编辑”，实现基因的敲除、特异突变引入、定点转基因等。

基因编辑技术的发展经历了三个阶段：ZFN技术、TALEN技术和 CRISPR/Cas9技术。目前，应用最为广泛的是CRISPR/Cas9技术，它是继ZFN 技术、TALEN技术之后出现的第三代基因组定点编辑技术，主要利用RNA 引导Cas9 核酸酶在多种细胞的特定基因组位点上进行基因的切割，改造。

相比前两代基因编辑技术，CRISPR/Cas9 具有可同时编辑多个位点、编辑效率高、设计过程简单易操作等优点，成为目前最流行、应用范围最广的基因编辑技术，已经成功地用于DNA 敲除、DNA 修复、DNA 修饰、DNA 标记等研究中。短短几年内，研究对象囊括了大肠杆菌、酵母、水稻、玉米、小麦、烟草、牧草、斑马鱼、小鼠和猪等多种生物体，被广泛应用到医药、农业、工业等领域。

随着科学技术的不断发展，CRISPR/Cas9 技术体系不断完善和升级，其应用领域也在逐渐拓展，能源、环保、健康等领域应用将会迅速铺开，同时该技术将不断与其他类型技术相融合，如与基因测序、基因表达的分析、疾病的模型、药物递送等技术相结合，使得这些技术的应用领域更加广泛。

例如，利用基因编辑技术解决果蔬褐化问题！

日常生活中，我们经常能看到有些果肉呈白色的果蔬在切开之后不久便会颜色变暗，有的甚至逐渐变成深褐色。在化学中，这种现象其实属于一种正常的氧化反应，称为褐化，它并不会带来任何的负面作用，只不过这种变化影响了果蔬的的美观。另外，在一定程度上会降低果蔬的口感，可谓是用之嫌弃，扔之可惜。

如何避免褐化？

我们能想到的最简单、最直接的方法或许就是隔绝氧气了。其实，生活中也不乏有这样的例子，厨房中的保鲜膜、食用盐在一定程度上发挥出很大作用！人们经常将刚刚切开的新鲜果蔬用保鲜膜封住切口，或者泡在盐水里，以此来减少切口与氧气的接触程度。这样的方法看似有用，但也不能作为永久之计。要想随时随地完全对抗氧气的干扰，并非易事，况且经过泡水，果蔬的口感必然损失不少。

以双孢菇为例。双孢菇，又叫白蘑菇，是一种常见的食用菌种。切开不久的双孢菇经常会出现褐化现象。究其原因发现，原来，是有一类称为多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase，PPO) 的物质在作祟！这种物质分布广泛，植物、真菌和昆虫的细胞中均有存在，作为生物催化剂作用于具有抗氧化功能的多酚。

在健康的植物细胞中，多酚和PPO是相互独立的两类物质，一个住在液泡中，一个住在类囊体中，当细胞受到损伤时，两种物质会发生结合，在PPO 酶的强烈催化下，多酚类物质和氧气迅速结合并发生反应，这时果肉逐渐变色。

为了避免褐化，科学家尝试从果蔬本身入手。

首先，考虑降低多酚类物质的含量，但是这个方法实现起来比较困难，因为在植物体内，能产生这类物质的反应非常多，并且它们还在其他生理过程中扮演着重要角色，如果完全将其剔除，后果难以预料。

最彻底的方法就是使PPO酶失去活性，例如，通过加热将莲藕或者马铃薯汆烫在100℃的沸水中几十秒就可以使PPO酶失活，这样莲藕和马铃薯再也不会被褐化。但是对于水果来说，这种方法似乎也不可取。不过，在科学家不断努力下，终于有了一种既能消除PPO，不与多酚发生反应，又能保证果蔬本身口感的方法：基因编辑技术！

宾夕法尼亚州立大学科学家杨亦农是基因组编辑双孢菇的带头人，他带领的团队利用CRISPR/Cas9技术对双孢菇进行了基因组编辑，编辑的位点是一类编码导致褐变的PPO酶的基因家族。具体方法是通过基因编辑敲除了6个PPO酶基因中的一个，敲除基因后的双孢菇体内PPO酶活性较原来降低了30%，由此获得具有抗褐化能力的双孢菇。

这种双孢菇作为首个CRISPR/Cas9编辑的有机体已经得到美国农业部的“通行证”，由于没有引入外来基因，并不需要对其进行一系列监管措施，很快便上市进行售卖。

除了双孢菇之外，科学家还对番茄做了基因编辑，找到决定西红柿风味的相关基因，对它们进行修改，培育出更加美味可口的西红柿品种。

科学家预测：从理论上来说，未来人们想吃什么风味的番茄，都可以通过基因组编辑技术来实现了！

另外，通过“编辑”基因，一些高品质、高产量的农作物和水果蔬菜也将相继问世，例如，淀粉含量提高的水稻、亚麻酸、亚油酸等优良成分比重增加的大豆、纤维含量提高的优质棉等，甚至，还能修改控制花卉颜色和品质的基因，创造出更加丰富绚丽的珍稀花卉品种。

当然，基因编辑技术的应用不仅仅限于以上这些领域，它还在医学领域中大显身手！它就像一把精准而且灵敏度极高的手术刀一样，能够在活细胞中快速、精确地修改病变基因，从而实现肿瘤等疑难杂症的基因治疗。另外，还可以高效的建立细胞和动物模型，用于对疾病发病分子机制的深入解读等等。目前，基因编辑已被用于艾滋病、镰刀型细胞贫血症等重大疾病的尝试治疗方案。

我们不难相信，基因编辑将在很大程度上推动生物学、农业、医学等领域的发展，并且带来革命性的变化。加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna和瑞典于默奥大学亥姆霍兹感染研究中心的Emmanuelle Charpentier作为CRISPR基因编辑技术的发现者之一获2015年生命科学突破奖；2018年麻省理工学院的80后终身教授张锋则由于其在基因修饰技术CRISPR-Cas9上做出的突出贡献新当选美国人文与科学院院士。

也许在不久的将来，我们可以看到更多抗褐化的水果和蔬菜新品种，同时也可以期待它应用于基因治疗的潜力，为人类带来更多福利。

作者简介

王友华，男，中国农业科学院生物技术研究所科技管理处副处长，主要从事科技管理、知识产权研究、科学普及等工作。作为《转基因科普系列丛书》的主要完成人之一获科技部2013年全国优秀科普作品奖，作为《转基因-给世界多一种选择》的主要完成人之一获科技部2014年全国优秀科普作品；获2015年中国农业科学院科研管理优秀论文奖。

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