盧俊南 褚鑫 潘燕平 陳映羲 溫欒 戴俊彪

生命科學(xué)的迅速發(fā)展使得我們從生物遺傳信息的“讀取”階段進(jìn)入到后基因組時(shí)代，基因組的“改寫”乃至“全新設(shè)計(jì)”正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。以設(shè)計(jì)創(chuàng)造新生命體為目標(biāo)的合成生物學(xué)在此背景下迅速發(fā)展，并在醫(yī)藥、制造、能源等領(lǐng)域顯現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。基因組的從頭合成和針對(duì)天然基因組的規(guī)模改造分屬合成基因組學(xué)和基因編輯領(lǐng)域，均為當(dāng)前合成生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。合成基因組學(xué)涉及基因組的從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建和功能表征等，屬于自下而上的生物學(xué)研究策略；而基因編輯側(cè)重于通過(guò)對(duì)現(xiàn)有基因組進(jìn)行刪除、替換、插入等分子操作，進(jìn)而改寫遺傳信息，屬于自上而下的生物學(xué)研究策略。以上兩者的有機(jī)結(jié)合將極大地推動(dòng)生物制造、疾病治療等領(lǐng)域的革新；同時(shí)二者也將為后基因組時(shí)代，功能基因組學(xué)的研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。新生命體系的從頭設(shè)計(jì)與合成不僅需要基因組序列的合成、拼接及轉(zhuǎn)移等技術(shù)，也需要高效率、低脫靶率的編輯技術(shù)以實(shí)現(xiàn)在基因組上進(jìn)行大規(guī)模的編輯改造。在不斷的探索研究中，基因編輯技術(shù)已經(jīng)從最初依賴細(xì)胞自然發(fā)生的同源重組，發(fā)展到幾乎可在任意位點(diǎn)進(jìn)行的靶向切割，其操作的簡(jiǎn)易和高效極大地推動(dòng)了物種遺傳改造的發(fā)展?；蚓庉嬁蔀楹铣缮倪M(jìn)一步改造提供手段，為新物種的創(chuàng)造提供更多的可能性。

1 基因編輯的原理

基因編輯技術(shù)是對(duì)生物體DNA斷裂的現(xiàn)象及其修復(fù)機(jī)制的應(yīng)用。作為一種常見(jiàn)的分子生物學(xué)事件，在分裂活躍的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，DNA雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks，DSBs）每天會(huì)發(fā)生。DSBs發(fā)生后細(xì)胞可以通過(guò)多種方式進(jìn)行修復(fù)，包括經(jīng)典的非同源末端修復(fù)（nonhomologous end joining，NHEJ），選擇性末端修復(fù)（alternative end joining,a-EJ），單鏈退火修復(fù)（single-strand annealing，SSA）和同源重組修復(fù)（homologous recombination，HR）。HR可以進(jìn)行精確無(wú)誤的修復(fù)，但是需要同源模板的存在；NHEJ則是將很大程度上沒(méi)有同源性的兩個(gè)DNA末端直接連接實(shí)現(xiàn)修復(fù)，此過(guò)程中，兩個(gè)末端在大多數(shù)情況下都會(huì)發(fā)生若干核苷酸的缺失，是一種不精確的修復(fù)機(jī)制。而作為輔助性的修復(fù)機(jī)制，a-EJ和SSA均需要更大幅度的末端單鏈切除，這也會(huì)導(dǎo)致遺傳信息的丟失。基于DNA斷裂修復(fù)的原理，如果在細(xì)胞中人為提供特定的同源重組模板，待目標(biāo)DNA自然發(fā)生或者人為誘導(dǎo)產(chǎn)生DSBs，觸發(fā)同源重組修復(fù)，就有機(jī)會(huì)把特定DNA序列進(jìn)行刪除或者插入外源基因。在不提供同源模板的情況下，利用 NHEJ、a-EJ及 SSA的不精確修復(fù)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)基因的突變和敲除。傳統(tǒng)的基因編輯借助細(xì)胞內(nèi)自然發(fā)生的DSBs實(shí)現(xiàn)靶向整合，達(dá)到基因敲除、替換等目的。然而，在真核生物細(xì)胞里面，通過(guò)自發(fā)雙鏈斷裂實(shí)現(xiàn)目的基因編輯的概率通常低至百萬(wàn)分之一。人為使用化學(xué)誘導(dǎo)劑或者輻射處理等方法，或者使用轉(zhuǎn)座子技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)基因的突變，但是這些突變是隨機(jī)的，需要后續(xù)進(jìn)行大量的篩選工作來(lái)獲得所需的基因型。定點(diǎn)基因編輯技術(shù)是進(jìn)行基因功能研究和物種定向改造的優(yōu)選策略。

2 重組核酸酶介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)

2.1 鋅指核酸酶技術(shù)

人工核酸酶技術(shù)的發(fā)展使人為定點(diǎn)誘導(dǎo)DSBs成為現(xiàn)實(shí)，其中鋅指核酸酶技術(shù)（zinc finger nucleases，ZFNs）就是一個(gè)里程碑式的突破，也稱為第一代基因編輯技術(shù)。ZFN由鋅指蛋白（zinc finger protein，ZFP）和FokI內(nèi)切酶的核酸酶結(jié)構(gòu)域組成，前者負(fù)責(zé)識(shí)別，后者負(fù)責(zé)切割DNA。ZFP是自然存在的蛋白結(jié)構(gòu)，其由鋅指結(jié)構(gòu)（zinc finger，ZF）組成，ZF能識(shí)別特定的3個(gè)連續(xù)堿基對(duì)，因此可通過(guò)串聯(lián)ZF的數(shù)量調(diào)整ZFN的識(shí)別特異性。FokI通過(guò)N端與ZFP連接，由于FokI以二聚體的形式發(fā)揮切割作用，ZFN使用時(shí)需要成對(duì)設(shè)計(jì)。作為新型基因編輯工具，ZFN從2001年開(kāi)始被陸續(xù)用于不同物種的基因編輯。

2.2 TALENs技術(shù)

ZFN技術(shù)將基因編輯引領(lǐng)進(jìn)了不再單純依賴自然發(fā)生 DSBs的時(shí)代，但其存在很大的局限性，如成本高、難以實(shí)現(xiàn)多靶點(diǎn)編輯等。而TALE（transcription activator like effector）基序的發(fā)現(xiàn)催生了第二代基因編輯技術(shù)——TALENs（TALE nucleases）。TALEN的構(gòu)造與ZFN類似，由 TALE基序串聯(lián)成決定靶向性的DNA識(shí)別模塊，與FokI結(jié)構(gòu)域連接而成。與ZF基序不同，一個(gè) TALE基序識(shí)別一個(gè)堿基對(duì)，因此串聯(lián)的 TALE基序與所識(shí)別的堿基對(duì)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的靶點(diǎn)TALENs有與ZFNs相同的切割效率，但是毒性通常比ZFNs的低，另外其構(gòu)建也比 ZFNs容易。然而，TALENs在尺寸上要比ZFNs大得多，而且有更多的重復(fù)序列，其編碼基因在大腸桿菌中組裝更加困難。

3 RNA引導(dǎo)的基因編輯技術(shù)

3.1 CRISPR/Cas9技術(shù)

CRISPR/Cas系統(tǒng)原本是細(xì)菌和古菌進(jìn)化出來(lái)用于抵御外來(lái)病毒及質(zhì)粒DNA的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。II型CRISPR/Cas系統(tǒng)依賴于外源DNA片段在規(guī)律成簇的短間隔回文重復(fù)（clustered regularly interspaced short palindromic repeat，CRISPR）位點(diǎn)整合，其經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄及剪切后產(chǎn)生短的 CRISPR RNAs（crRNAs），crRNA與反式轉(zhuǎn)錄的crRNA（transactivating crRNA，tracrRNA）退火結(jié)合，然后引導(dǎo) Cas9（CRISPR associated protein 9，Cas9）蛋白介導(dǎo)序列特異性的外源DNA降解。Jinek等發(fā)現(xiàn)Cas9發(fā)揮靶向切割作用所依賴的crRNA和tracrRNA可以融合為一體，作為sgRNA（single guide RNA）。隨后，若干研究組陸續(xù)報(bào)道 CRISPR/Cas9系統(tǒng)可用于人類細(xì)胞的靶向基因編輯。與ZFNs和TALENs技術(shù)相比，CRISPR/Cas9的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，而且成本很低，對(duì)于相同的靶點(diǎn)，CRISPR/Cas9有相當(dāng)甚至更好的靶向效率。

3.2 CRISPR/Cas9衍生技術(shù)

隨著 CRISPR/Cas系統(tǒng)的研究不斷深入，Cas9核酸酶的催化機(jī)制也被揭示，并且可以通過(guò)特定位點(diǎn)氨基酸的突變獲得單鏈靶向剪切功能的Cas9切刻酶（Cas9 nickase，Cas9n）或者全失活的 Cas9（dead Cas9，dCas9），而這些不同的Cas9核酸酶，衍生出了適用范圍更為廣泛的基因編輯系統(tǒng)。

（1） CRISPR/Cas9-nickase基因編輯技術(shù)。CRISPR/Cas9系統(tǒng)使用的crRNA能容受一定程度的錯(cuò)配導(dǎo)致脫靶效應(yīng)的產(chǎn)生，限制了CRISPR/Cas9系統(tǒng)在高精度編輯中的應(yīng)用。為了提高Cas9編輯系統(tǒng)的精度，Ran等巧妙利用 Cas9 D10A突變體具備切刻酶活性的特性，設(shè)計(jì)了“一個(gè)位點(diǎn)，雙sgRNA靶向”的策略，即 CRISPR/Cas9-nickase基因編輯技術(shù)。其原理與ZFN和TALEN類似，兩個(gè)Cas9n/sgRNA復(fù)合物同時(shí)靶向一個(gè)位點(diǎn)，分別切割其中一條DNA鏈，實(shí)現(xiàn)雙鏈斷裂，誘導(dǎo)NHEJ或者HR修復(fù)。使用這種策略，細(xì)胞系中基因編輯的脫靶效率最高可以降低近4個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）CRISPR/dCas9-FoKI基因編輯技術(shù)。同樣是為了解決CRISPR/Cas9技術(shù)的脫靶問(wèn)題，Guilinger等采用了基于 dCas9的策略。理論上dCas9/sgRNA只能起到單純的靶向引導(dǎo)作用，無(wú)法誘導(dǎo)DNA的斷裂，類似于ZFN或者TALEN中的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域。為了實(shí)現(xiàn) DNA的切割，其引入的FoKI核酸內(nèi)切酶的切割結(jié)構(gòu)域，與 dCas9連接做成融合蛋白fCas9，這與ZFN及TALEN的設(shè)計(jì)策略如出一轍。在人類細(xì)胞的基因編輯中，fCas9的特異性比野生型Cas9要高出140倍以上。而在高度類似的脫靶位點(diǎn)上，fCas9的特異性要比Cas9n至少高出4倍。fCas9的應(yīng)用將進(jìn)一步豐富Cas9工具箱，提供更完善的基因編輯工具。

（3）基于 CRISPR/dCas9的單堿基編輯技術(shù)。人類大多數(shù)的遺傳病與基因的點(diǎn)突變有關(guān)，如果能通過(guò)精確的手段進(jìn)行修復(fù)，可能會(huì)帶來(lái)新的治療策略。在提供同源重組模板的情況下，定點(diǎn)突變可以通過(guò)CRISPR/Cas9來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是其誘導(dǎo)的 NHEJ修復(fù)可能帶來(lái)的堿基隨機(jī)插入、缺失是潛在的危險(xiǎn)因素。Cas9的突變體Cas9n、dCas9無(wú)切割雙鏈DNA的功能，但可以發(fā)揮尋靶定位作用；如果有能催化特定堿基轉(zhuǎn)換的蛋白/結(jié)構(gòu)域可用，則可參考CRISPR/dCas9-FoKI蛋的設(shè)計(jì)，構(gòu)建CRISPR/Cas9n/dCas9導(dǎo)向的單堿基編輯技術(shù)。Liu課題組將源自大鼠的胞嘧啶脫氨酶（APOBEC1）與dCas9融合，發(fā)現(xiàn)其可以定點(diǎn)將C轉(zhuǎn)變?yōu)閁，然后在后續(xù)的DNA復(fù)制或者修復(fù)作用下實(shí)現(xiàn)C∶G堿基對(duì)到T∶A的轉(zhuǎn)變。隨后日本神戶大學(xué)的Kondo課題組及我國(guó)上海交通大學(xué)的常興課題組也報(bào)道了類似研究成果。為了實(shí)現(xiàn)A∶T到G∶C的轉(zhuǎn)換，Liu課題組采用蛋白質(zhì)進(jìn)化工程手段對(duì)大腸桿菌的 tRNA腺苷脫氨酶（TadA）進(jìn)行改造，他們獲得的第7代腺嘌呤堿基編輯器（adenine base editors，ABEs）能高效介導(dǎo) A∶T堿基對(duì)到G∶C的轉(zhuǎn)變。即，C到T以及G到A堿基之間的自由轉(zhuǎn)換已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，將來(lái)有可能做到4種堿基的任意轉(zhuǎn)換。

（4）基于 CRISPR/dCas9的基因表達(dá)調(diào)控技術(shù)。除了直接對(duì)DNA進(jìn)行編輯，CRISPR/Cas系統(tǒng)在基因表達(dá)調(diào)控上也可發(fā)揮作用。例如，利用dCas9無(wú)核酸內(nèi)切酶活性但仍能與DNA結(jié)合的特點(diǎn)，可直接阻礙其結(jié)合DNA與其他因子的結(jié)合，影響基因的表達(dá)。如果將轉(zhuǎn)錄抑制因子或者激活因子與dCas9融合，則可以實(shí)現(xiàn)靶基因的抑制與激活，為基因功能研究提供靈活的操作手段。

3.3 CRISPR/Cas12a基因編輯技術(shù)

CRISPR/Cas9技術(shù)受富含G堿基的PAM序列限制，不能實(shí)現(xiàn)任意序列的靶向。同時(shí)Cas9蛋白分子量過(guò)大，某些情況下不便使用。實(shí)際上幾乎所有的古細(xì)菌和眾多的細(xì)菌都采用 CRISPR/Cas機(jī)制進(jìn)行免疫防御，其中包含多種CRISPR/Cas系統(tǒng)。已經(jīng)表征過(guò)的Ⅱ類 CRISPR/Cas系統(tǒng)，均屬于采用Cas9家族核酸酶作為效應(yīng)因子的Ⅱ型CRISPR/Cas系統(tǒng)，而在普氏菌和弗朗西斯氏菌屬（Prevotella和Francisella1）中存在另一個(gè)Ⅱ類CRISPR/Cas系統(tǒng)，其被歸為Ⅴ型CRISPR/Cas系統(tǒng)。2015年，張鋒團(tuán)隊(duì)報(bào)道 V型系統(tǒng)中的Cpf1（CRISPR from Prevotella and Francisella 1）（現(xiàn)稱“Cas12a”）是有功能的細(xì)菌免疫機(jī)制并能在人類細(xì)胞中介導(dǎo)有效的基因編輯。CRISPR/Cas12a具有CRISPR/Cas9沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是Cas12a需要的是富含T堿基的PAM序列，有助于其在基因組富含A/T堿基的物種中使用。上海科技大學(xué)的陳佳課題組將無(wú) DNA切割活性的dCas12a與大鼠源的胞嘧啶脫氨酶（APOBEC1）融合，發(fā)現(xiàn)其與基于Cas9的堿基編輯器類似，能有效地催化人類細(xì)胞中C到T堿基的轉(zhuǎn)換。由于識(shí)別的是富含T堿基的PAM序列，基于Cas12a的堿基編輯系統(tǒng)能與基于Cas9的堿基編輯系統(tǒng)互補(bǔ)，為相關(guān)基礎(chǔ)研究及將來(lái)的臨床應(yīng)用提供更全面的技術(shù)條件。

3.4 基于 CRISPR/Cas系統(tǒng)的RNA編輯技術(shù)

除了對(duì)DNA進(jìn)行編輯，張鋒課題組發(fā)現(xiàn)CRISPR蛋白家族的C2c2（現(xiàn)稱Cas13a）可以靶向切割RNA，隨后他們證實(shí)Cas13a可在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中靶向降低RNA的水平。利用Cas13a的RNA靶向功能，CRISPR/Cas13a系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)為RNA檢測(cè)器用于疾病診斷。張鋒團(tuán)隊(duì)后續(xù)又發(fā)現(xiàn)了Cas13b，其同樣具有RNA靶向和編輯功能。另外，Cas13c和Cas13d也具有類似功能。RNA編輯技術(shù)的建立，進(jìn)一步拓展了CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)的應(yīng)用范圍。

4 DNA介導(dǎo)的基因編輯工具

根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，及引物設(shè)計(jì)原理，Oligo DNA理論上也可以用于引導(dǎo)核酸內(nèi)切酶靶向切割雙鏈DNA。類似于ZFN和TALEN，可用Oligo DNA替代其DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，關(guān)鍵是需要找到Oligo DNA與切割結(jié)構(gòu)域FoKI的合適連接方式。或者是尋找類似于Cas9的天然蛋白，本身具備核酸內(nèi)切酶功能，同時(shí)能結(jié)合一定長(zhǎng)度的引導(dǎo) Oligo DNA。由于DNA本身有更好的穩(wěn)定性，Oligo DNA制備成本低，可以簡(jiǎn)化基因編輯的操作程序，Oligo DNA引導(dǎo)的基因編輯工具有其他編輯工具不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，值得深入研究開(kāi)發(fā)。特別是當(dāng)前主流基因編輯工具全為國(guó)外專利，對(duì)今后國(guó)內(nèi)基因編輯相關(guān)產(chǎn)品的上市不利，具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因編輯技術(shù)亟待開(kāi)發(fā)。

2016年9月，Genome Biology刊登了我國(guó)南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型基因編輯工具：結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的核酸內(nèi)切酶（structure-guided endonuclease，SGN）。SGN是典型的Oligo DNA引導(dǎo)基因編輯工具，本質(zhì)上也是重組核酸酶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。其 N端是能識(shí)別 DNA 3′ 末端翹翼（3′ flap）的核酸內(nèi)切酶（flap endonuclease-1，F(xiàn)EN-1），C端則是FoKI核酸內(nèi)切酶的 DNA切割結(jié)構(gòu)域（Fn1）。SGN通過(guò)識(shí)別引導(dǎo)DNA（guide DNA，gDNA）與特點(diǎn)靶點(diǎn)結(jié)合產(chǎn)生的3′ flap進(jìn)行定位切割。不同于CRISPR/Cas9及其系列衍生技術(shù)，SGN沒(méi)有PAM限制，理論上可以靶向任何序列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示SGN的切割活性不依賴于靶點(diǎn)的序列，其可用于斑馬魚(yú)基因編輯但是效率尚有很大的提升空間。SGN作為我國(guó)科學(xué)家的原創(chuàng)性研究結(jié)果，其優(yōu)點(diǎn)無(wú)疑顯著，如：gDNA非常容易獲得并且可根據(jù)需要精確控制其用量；可以通過(guò)調(diào)整 gDNA的長(zhǎng)度將錯(cuò)配的可能降到最低等。

5 我國(guó)基因編輯技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

近年來(lái)，我國(guó)在基因編輯技術(shù)方面取得了矚目的進(jìn)展。但是我們要清醒地認(rèn)識(shí)到，目前基因編輯，尤其是 CRISPR/Cas9相關(guān)的核心專利基本都是掌握在其他國(guó)家手中。未來(lái)基因編輯技術(shù)及基因編輯的細(xì)胞制品等走向臨床應(yīng)用，以及基因編輯農(nóng)作物走向市場(chǎng)所產(chǎn)生的巨大利潤(rùn)都會(huì)因此而受到重大損失。開(kāi)發(fā)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)才有可能在這場(chǎng)生物技術(shù)革命中獲得發(fā)展，包括對(duì)現(xiàn)有基因編輯技術(shù)的缺陷進(jìn)行修正，以及通過(guò)技術(shù)組合等，搶先獲得現(xiàn)有基因編輯技術(shù)的改進(jìn)版本和增強(qiáng)版。同時(shí)也借助生物信息學(xué)手段挖掘潛在的CRISPR核酸酶和DNA引導(dǎo)的核酸酶等，開(kāi)發(fā)新型基因編輯技術(shù)。此外，基因編輯技術(shù)，尤其是CRISPR/Cas技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各物種的基因編輯，除了常見(jiàn)的模式生物，如線蟲(chóng)、果蠅、斑馬魚(yú)、小鼠等，還有豬、狗、猴等大型動(dòng)物，以及水稻、小麥等常見(jiàn)農(nóng)作物。將現(xiàn)有基因編輯技術(shù)拓展到其他生物也是新的突破，尤其對(duì)于我國(guó)特有的生物資源，其過(guò)程往往涉及技術(shù)的調(diào)整和改進(jìn)，一方面可以產(chǎn)生新的技術(shù)，另一方面可為目標(biāo)生物的功能基因組研究以及遺傳改良提供有效手段。

目前，CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)已經(jīng)顯示巨大的應(yīng)用價(jià)值，但是其在編輯效率、精確度及脫靶效應(yīng)等方面，以及其走向臨床應(yīng)用等尚有很多問(wèn)題需要解決。病毒載體可應(yīng)用于人類基因治療，但是其裝載容量有限，常規(guī)的Cas9蛋白過(guò)大，不利于使用。一方面可以從自然界尋找更小的Cas9蛋白，另一方面可以通過(guò)基因工程手段進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減。而在減少脫靶效應(yīng)方面，除了上述提到的 CRISPR/Cas9-nickase和 CRISPR/dCas9-FoKI基因編輯技術(shù)，還可以對(duì)Cas9蛋白本身進(jìn)行定點(diǎn)突變等來(lái)增強(qiáng)其特異性。這些工作充滿著挑戰(zhàn)性，但也是我們發(fā)展的機(jī)遇和突破口。

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家在基因編輯領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。上述提及常興課題組和陳佳課題組在堿基編輯技術(shù)上的突破，此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃志偉課題組和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王艷麗課題組在Cas/sgRNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解釋上也作出了突出貢獻(xiàn)，可為基因編輯原理的理解提供重要參考。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞課題組等則在植物基因編輯上取得重要進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學(xué)課題組、昆明理工大學(xué)季維智課題組、中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所楊輝課題組等，利用基因編輯技術(shù)成功獲得多種疾病動(dòng)物模型。我國(guó)在新型基因編輯技術(shù)開(kāi)發(fā)上也取得了一定突破，DNA引導(dǎo)的基因編輯技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，值得加大投入以解決編輯效率低等問(wèn)題。

此外，合成生物學(xué)作為新近迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，已在生物醫(yī)藥、能源、新材料等領(lǐng)域展現(xiàn)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用潛力?；蚪M合成和基因編輯，涉及的操作廣度、深度不同，技術(shù)體系也不同。但其本質(zhì)上都是通過(guò)遺傳改造，獲得具有特定功能的生命體，服務(wù)科研與生產(chǎn)，二者有機(jī)融合是水到渠成的趨勢(shì)。比如，在合成的基因組中可以引入基因編輯體系，為新生物體進(jìn)一步改造及應(yīng)用提供更多的可能性。SCRaMbLE（synthetic chromosome rearrangement and modification byloxP-mediated evolution）是一種快速的染色體重排修飾技術(shù)，可以加速生物體的進(jìn)化，其本質(zhì)上是一種非定點(diǎn)的誘導(dǎo)型基因編輯技術(shù)。生物的進(jìn)化往往需要漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程，難以快速獲得具備某類性狀的物種。合成生物學(xué)可以通過(guò)基因組設(shè)計(jì)，引入特定的功能模塊，以獲得目標(biāo)工程細(xì)胞；然而，基于目前的成本和技術(shù)限制，盡管可以有很多候選基因組設(shè)計(jì)，想要獲得一個(gè)大容量合成細(xì)胞庫(kù)并從中篩選獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)的可能性不大。而SCRaMbLE是一種潛在的高性價(jià)比手段。Sc2.0計(jì)劃擬在合成的酵母基因組中插入約 5000個(gè)loxPysm位點(diǎn)。該計(jì)劃近期發(fā)表的系列成果表明，SCRaMbLE系統(tǒng)可以誘導(dǎo)獲得增強(qiáng)型工業(yè)用酵母菌株，提目標(biāo)代謝物的產(chǎn)量等。

當(dāng)前，首個(gè)全人工合成的真核生物——Sc2.0已經(jīng)接近完成，更高等生物的全基因組合成也已經(jīng)提上日程。然而，超大基因組的合成尚有很多挑戰(zhàn)。通過(guò)基因編輯對(duì)現(xiàn)有物種進(jìn)行局部基因組改造實(shí)際為傳統(tǒng)基因工程的升級(jí)，其不大可能實(shí)現(xiàn)全面的基因組改寫。就目前而言，基因組合成與基因組編輯的結(jié)合將是一個(gè)十分具有潛力的研究方向，可解決目前超大基因組從頭合成面臨的各項(xiàng)困難，為合成基因組學(xué)在超大基因組物種基礎(chǔ)研究及物種改造中的應(yīng)用提供可能。這也是我國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域及基因編輯領(lǐng)域可以把握的契機(jī)。

（摘自《中國(guó)科學(xué)院院刊》2018年第11期）