谷峰，高彩霞

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2017基因組編輯專(zhuān)刊序言

谷峰1，高彩霞2

1 溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院眼視光學(xué)與視覺(jué)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325000 2 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所基因組編輯中心植物細(xì)胞與染色體工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

谷峰, 高彩霞. 2017基因組編輯專(zhuān)刊序言. 生物工程學(xué)報(bào), 2017, 33(10): 1661–1664.Gu F, Gao CX. Preface for genome editing special issue. Chin J Biotech, 2017, 33(10): 1661–1664.

基因組編輯技術(shù)，作為一項(xiàng)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的革新技術(shù)，已經(jīng)在動(dòng)物、植物和微生物基因組改造中得到了廣泛的應(yīng)用。以CRISPR/Cas9為主導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)掀起了基因組編輯的浪潮，在功能基因組學(xué)、遺傳改良育種、遺傳病治療等研究中展示出其極大的價(jià)值與潛力。本專(zhuān)刊報(bào)道了基因組編輯技術(shù)的總體狀況、在相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、該技術(shù)當(dāng)前存在的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來(lái)展望等。

基因組編輯，CRISPR/Cas9，進(jìn)展

人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展是一個(gè)漫長(zhǎng)的自然歷史過(guò)程，期間人類(lèi)與自然界的不斷“摩擦與碰撞”激發(fā)了大量的“物質(zhì)、能量、信息”交流。從“飲血茹毛”到“鉆木取火”，從“神農(nóng)嘗百草”到植物培育和動(dòng)物馴養(yǎng)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的品種選育，再到今天的分子定向育種，無(wú)一不彰顯著人類(lèi)物質(zhì)文明的卓越進(jìn)步，而這恰恰與人類(lèi)的健康生活密切相關(guān)。如今，動(dòng)植物、微生物的定向選擇 (育種) 已經(jīng)成為人類(lèi)生產(chǎn)的重要組成部分，其中畜牧業(yè)的發(fā)展為人類(lèi)提供高蛋白的優(yōu)質(zhì)肉類(lèi)和乳類(lèi)，農(nóng)作物的品種選育為人類(lèi)提供高質(zhì)的植物蛋白和天然多糖 (淀粉)，微生物的定向育種優(yōu)化了人類(lèi)疫苗和抗生素等藥物的生產(chǎn)方式。

追根究底，定向育種的本質(zhì)是個(gè)體基因組變化的結(jié)果。傳統(tǒng)的遺傳育種是一個(gè)耗時(shí)、耗力且耗財(cái)?shù)倪^(guò)程，然而新型基因組編輯工具的研發(fā)為遺傳育種的定向選擇提供了高效的方法。從編輯動(dòng)物、植物、微生物基因組到人類(lèi)基因組，新型的基因組編輯工具表現(xiàn)出極大的潛能，對(duì)人類(lèi)基因組的編輯可用于人類(lèi)遺傳性疾病的治療。以鐮刀型貧血病為例，1910年首次由美國(guó)醫(yī)生James B. Herrick發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去的100多年里，人類(lèi)一直試圖去治療該疾病卻未能成功。在疾病面前，人類(lèi)一直很“弱小”。新型基因組編輯技術(shù)如“黑夜里航行中的燈塔”，它給疾病治療帶來(lái)了“光明”，目前該技術(shù)已在對(duì)應(yīng)小鼠疾病模型的治療中取得了一定的成功?？傊曰蚪M編輯技術(shù)為代表的新一代生物技術(shù)正在引領(lǐng)一場(chǎng)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的革命，它正在“改變”我們的世界，正在“改變”我們的人類(lèi)自身。為將基因組編輯領(lǐng)域的進(jìn)展系統(tǒng)地呈現(xiàn)給讀者，《生物工程學(xué)報(bào)》推出一期主題為“基因組編輯”的專(zhuān)刊。該專(zhuān)刊闡述了基因組編輯領(lǐng)域的總體狀況和多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展，分別從動(dòng)物、植物和技術(shù)方法學(xué)等方面進(jìn)行了展示。

非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物因遺傳背景與人類(lèi)極其類(lèi)似，在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域具有無(wú)以比擬的地位。近年來(lái)得益于基因組編輯工具的飛速發(fā)展，對(duì)非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的受精卵進(jìn)行遺傳學(xué)操作就可以獲得基因隨機(jī)或者定點(diǎn)修飾。中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所的孫強(qiáng)團(tuán)隊(duì)對(duì)利用慢病毒載體或者靶向核酸酶獲得基因編輯猴的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)也展望了非人靈長(zhǎng)類(lèi)基因修飾模型構(gòu)建技術(shù)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。該綜述將為科研工作者開(kāi)展非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的基因組編輯提供思路，具有非常好的借鑒意義。

斑馬魚(yú)作為常用模式生物之一，在生物醫(yī)學(xué)研究中具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)易于飼養(yǎng)和繁殖、世代短、子代多、遺傳背景清楚，并且容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。南通大學(xué)的劉東團(tuán)隊(duì)以清晰明了的示意圖簡(jiǎn)要總結(jié)了斑馬魚(yú)的遺傳學(xué)操作方法和基本原理，介紹了基因組編輯技術(shù)在該模式生物中的應(yīng)用，同時(shí)作者也介紹了關(guān)于NgAgo以Knock-down形式在斑馬魚(yú)中的作用。

秀麗線(xiàn)蟲(chóng)是遺傳學(xué)模式生物，具有生命周期短、基因組小、基因數(shù)目多、便于遺傳操作、通體透明易于顯微觀(guān)察等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)的研究。CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)進(jìn)一步加速了對(duì)其基因功能及各種生物學(xué)問(wèn)題的研究。浙江大學(xué)的徐素宏團(tuán)隊(duì)主要總結(jié)CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)在秀麗線(xiàn)蟲(chóng)中的發(fā)展和應(yīng)用，另外也對(duì)基因組編輯技術(shù)在秀麗線(xiàn)蟲(chóng)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)作為生命科學(xué)領(lǐng)域的革命性工具，不僅用于動(dòng)物建模，也為植物學(xué)基礎(chǔ)研究和農(nóng)作物遺傳改良提供了高效、快速而又廉價(jià)的遺傳學(xué)操作工具。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的謝卡斌團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)要介紹了CRISPR/Cas9相關(guān)技術(shù)的原理，近兩年出現(xiàn)可用于植物編輯的新技術(shù)，以及CRISPR/Cas9在農(nóng)作物遺傳改良方面的潛力及其面臨的挑戰(zhàn)，為CRISPR/Cas9在農(nóng)作物中的應(yīng)用提供價(jià)值性參考。而中國(guó)水稻研究所的王克劍團(tuán)隊(duì)著重介紹CRISPR/Cas9在植物中的研究進(jìn)展，包括CRISPR/Cas9在植物中的應(yīng)用與完善、基因組編輯范圍的研究、Cas9切口酶和失活酶的拓展、特異性單堿基突變編輯系統(tǒng)的研究、無(wú)外源DNA污染的植物基因組編輯技術(shù)的發(fā)展以及基因組編輯技術(shù)在作物育種上的應(yīng)用等方面。同時(shí)也提出了還需解決的問(wèn)題，并展望了基因組編輯系統(tǒng)在作物育種中的應(yīng)用前景。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的謝傳曉團(tuán)隊(duì)則利用CRISPR/Cas系統(tǒng)進(jìn)行基因替換，并進(jìn)一步對(duì)其原理、實(shí)現(xiàn)方式與影響因素、應(yīng)用及其前景等進(jìn)行了總結(jié)與討論，為開(kāi)展高等植物基因功能鑒定與遺傳改良研究提供借鑒。而對(duì)于世界上應(yīng)用最廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高和栽培面積最大的優(yōu)質(zhì)豆科飼料作物——紫花苜蓿，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所的林浩團(tuán)隊(duì)通過(guò)CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)其介導(dǎo)的基因組編輯進(jìn)行探討和展望，希望為苜蓿等豆科飼草作物的功能基因組學(xué)研究及遺傳改良提供新的研究思路。

水稻作為最重要的糧食作物在國(guó)民生活中扮演著重要角色，基因組編輯技術(shù)為水稻的新型遺傳育種提供了新的“動(dòng)力”。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所的周煥斌團(tuán)隊(duì)通過(guò)rBE系統(tǒng)，利用特異性的sgRNA獲得帶有點(diǎn)突變的突變體材料，同時(shí)利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)位點(diǎn)突變，其產(chǎn)生的突變能穩(wěn)定地遺傳給后代。這一研究結(jié)果表明rBE系統(tǒng)可以被用于定制基因功能獲得水稻新品種，對(duì)水稻基因的功能學(xué)研究也具有巨大推動(dòng)作用。

基于CRISPR/Cas9的基因組編輯系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于多領(lǐng)域，為達(dá)到高效的靶向編輯，以計(jì)算機(jī)程序?yàn)檩o助的向?qū)NA (Guide RNA) 設(shè)計(jì)已然成為CRISPR系統(tǒng)成功進(jìn)行基因編輯的關(guān)鍵步驟之一。目前主要致力于利用計(jì)算模型來(lái)提高sgRNA的敲除效率并降低其脫靶。同濟(jì)大學(xué)的劉琦團(tuán)隊(duì)對(duì)目前存在的sgRNA設(shè)計(jì)工具進(jìn)行論述，在此說(shuō)明可以通過(guò)建立高效的計(jì)算模型，對(duì)當(dāng)前的基因編輯數(shù)據(jù)進(jìn)行整合挖掘，以獲得無(wú)偏差的sgRNA設(shè)計(jì)規(guī)則，并預(yù)測(cè)影響sgRNA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征。

盡管基因組編輯技術(shù)的成功研發(fā)為人類(lèi)疾病的治療與預(yù)防提供極大的便利，但相關(guān)的脫靶問(wèn)題仍是制約其作為臨床藥物治療人類(lèi)疾病的重要瓶頸。溫州醫(yī)科大學(xué)的谷峰團(tuán)隊(duì)分別對(duì)三大基因組編輯工具 (包括鋅指核酸酶、轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)因子核酸酶和規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)/Cas系統(tǒng)) 進(jìn)行介紹，并且分別對(duì)其脫靶的現(xiàn)狀、解決優(yōu)化的方案和檢測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)與探討，為基因組編輯技術(shù)在動(dòng)植物的應(yīng)用研究和人類(lèi)遺傳病的治療研究提供參考。

本期專(zhuān)刊的推出希望是我國(guó)基因組編輯領(lǐng)域新的“坐標(biāo)”。在這新的“坐標(biāo)”，希望基因組編輯技術(shù)本身能夠得到更好的發(fā)展，同時(shí)，最好的基因組編輯技術(shù)能夠“整合”到不同的學(xué)科和領(lǐng)域，為人類(lèi)的健康和高質(zhì)量的工業(yè)/農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供保障。

(本文責(zé)編 郝麗芳)

Preface for genome editing special issue

Feng Gu1, and Caixia Gao2

1 State Key Laboratory of Ophthalmology and Optometry, School of Ophthalmology and Optometry, Wenzhou Medical University, Wenzhou 325000, Zhejiang, China 2 State Key Laboratory of Plant Cell and Chromosome Engineering, Center for Genome Editing, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Genome editing technology, as an innovative biotechnology, has been widely used for editing the genome from model organisms, animals, plants and microbes. CRISPR/Cas9-based genome editing technology shows its great value and potential in the dissection of functional genomics, improved breeding and genetic disease treatment. In the present special issue, the principle and application of genome editing techniques has been summarized. The advantages and disadvantages of the current genome editing technology and future prospects would also be highlighted.

genome editing, CRISPR/Cas9, progress

September 21, 2017

Feng Gu. Tel: +86-577-88831367; E-mail: gufenguw@gmail.com Caixia Gao. Tel: +86-10-64807727; E-mail: cxgao@genetics.ac.cn

·序 言·

高彩霞 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)遺傳學(xué)會(huì)基因組編輯分會(huì)副主任，中國(guó)科學(xué)院“杰出技術(shù)人才”。第五屆農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全委員會(huì)委員。主要研究方向?yàn)椋恨r(nóng)作物基因組編輯技術(shù)體系的研發(fā)與應(yīng)用以及小麥等重要農(nóng)作物重要功能基因的分子生物學(xué)研究。在、、、等期刊上發(fā)表了多篇文章。

谷峰 博士，溫州醫(yī)科大學(xué)研究員，中國(guó)遺傳學(xué)會(huì)基因組編輯分會(huì)委員，任《遺傳》和期刊的編委。主要從事新型基因組編輯工具研發(fā)、遺傳病致病基因發(fā)現(xiàn)與相關(guān)的基因/干細(xì)胞治療研究。在、、、等期刊發(fā)表多篇文章。