什么是基因編輯技術？（上）

一、前言

每一個生命個體都是由無數精妙的生物分子共同組成的。而其中的DNA就像是生命的藍圖，DNA中的每一段特定序列，即我們所稱的基因，各自承擔著特定的生物學功能。它們共同調控著生物體的生長、發育、繁殖等一系列復雜的生命過程。然而，并非所有基因都是十全十美的，有時候，基因中的一點小小改變，就可能導致疾病的產生。但如果我們能夠像編輯文字一樣編輯這些基因，那我們就有可能修復這些錯誤，治療疾病，甚至創造出新的生命形式。這個想法并非遙不可及。在21世紀的今天，一種名為"基因編輯"的技術正在逐漸實現這個夢想，它正在深刻地改變我們對生命的理解和認知。

自1970年以來，基因工程已經成為一種在生物體中引入新遺傳成分的主要手段。但這項技術有一個顯著的缺點：DNA的插入是隨機的，不能精確地將基因定位到生物基因組內的特定位點。這種隨機性可能會損害或改變宿主基因組中的其他基因。

為了解決這個問題，科學家們開始研發一系列的基因編輯技術。這些技術不僅能在基因組中插入新的基因，還能精確地將這些基因定位到特定的位置，避免對其他基因的無意干擾。基因編輯技術的出現，使得我們能夠從“粗糙"的基因操作，轉變為“精細"的基因操作。這一系列突破性的研究不僅提高了基因操作的準確性，也為我們解決遺傳疾病和開發新的生物技術提供了更多可能性。

二、基因編輯的原理

基因編輯的原理通常涉及到一種被稱為"分子剪刀"（如CRISPR-Cas9，ZFNs或TALENs等）的工具，它可以在DNA鏈的特定位置將其切斷。這個位置是由一段引導RNA（gRNA）確定的，它能夠與目標DNA序列精確配對。一旦DNA被切斷，細胞的自我修復機制就會啟動，試圖修復這個斷裂。

當DNA雙鏈斷裂（DSBs）發生時，細胞會啟動一系列復雜的自我修復機制，試圖修復這個斷裂。這些機制包括同源重組修復（HR）、非同源末端連接（NHEJ）、選擇性末端連接（a-EJ）和單鏈退火修復（SSA）。

同源重組修復（HR）：同源重組修復（HR）是一種精確的DNA修復機制，但它需要一個同源的DNA模板來指導修復過程。同源模板通常來自于同源染色體或者姐妹染色單體。在基因編輯中，我們可以為人提供一個包含我們希望插入或替換的DNA序列的同源模板。通過精確控制模板的序列，我們就可以實現精確的基因編輯。但需要注意的是，HR機制主要發生在細胞的S期和G2期，因為這兩個階段細胞具有可供參考的姐妹染色單體。因此，在使用HR機制進行基因編輯時，我們通常需要考慮到細胞周期的影響。

非同源末端連接（NHEJ）：非同源末端連接（NHEJ）可以將斷裂的兩個DNA末端直接連接起來，而不需要同源性模板。這種機制的優點是可以在任何階段的細胞周期中進行，而不受細胞分裂階段的限制。NHEJ的缺點是它不是一個精確的修復機制。在末端連接的過程中，可能會丟失或插入一些核苷酸，導致基因序列的改變。這種改變可能會導致基因的功能喪失或改變，所以NHEJ常常在無法提供同源模板的情況下被用于實現基因的突變和敲除。

選擇性末端連接（a-EJ）和單鏈退火修復（SSA）：這是兩種輔助性的DNA修復機制，它們在特定的條件下被激活。a-EJ是一種不依賴于DNA-PKcs的末端連接機制，通常在非同源末端連接（NHEJ）不能正常工作時被激活。單鏈退火修復（SSA）則是一種依賴于大量的末端單鏈切除的修復機制。在SSA過程中，兩個斷裂的DNA末端會被切除成單鏈，然后這兩個單鏈會尋找并退火到相同的序列，最后通過切除和連接的方式修復斷裂。這兩種修復機制都需要對斷裂的DNA末端進行大量的切除，以形成單鏈DNA，這可能會導致一些遺傳信息的丟失。因此，它們都不是精確的修復機制。但在基因編輯中，我們可以巧妙地利用這些機制來實現特定基因的突變和敲除。

而在DNA的自我修復過程中，科學家可以利用一種被稱為"修復模板"的DNA片段來引導修復過程。這個修復模板包含了科學家想要插入、刪除或更改的DNA序列。當細胞的修復機制被激活時，它就會使用這個修復模板來修復DNA斷裂。

三、鋅指核酸酶技術（ZFN）

鋅指核酸酶（ZFN）技術的發展始于20世紀80年代。當時的科學家在非洲爪蟾的調節因子中發現了鋅指蛋白（zinc finger protein，ZFP）。這種蛋白能夠識別并結合到特定的DNA序列。后來，科學家發現通過改造這些蛋白可以將其與FokI酶結合，產生成為一個能夠在特定DNA序列處切割DNA的工具，前者負責識別，后者負責切割DNA。這就是鋅指核酸酶。

1、ZFN技術的原理

ZFN由兩部分組成：鋅指蛋白（ZFP）和FokI內切酶。ZFP是一種DNA結合蛋白，它可以識別并結合到特定的DNA序列。FokI內切酶是一種核酸酶，它可以切割DNA。這兩部分結合在一起，形成了一種可以在特定位置切割DNA的工具。

FokI內切酶：FokI內切酶是ZFN的切割部分。它是一種核酸酶，可以在DNA雙鏈上產生切口。然而，FokI內切酶只有在形成二聚體的情況下才能工作。這也就意味著需要兩個ZFN分子在相鄰的DNA序列上結合，才能形成一個有效的FokI內切酶二聚體，從而切割DNA。

DNA切割和修復：當ZFN在特定的DNA序列上產生切口后，細胞的DNA修復機制就會啟動。這通常會通過兩種途徑進行：非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）。NHEJ是一種錯誤修復機制，它會在DNA切口處隨機添加或刪除堿基，從而導致基因突變。HR則是一種精確的修復機制，它需要一個與切口處的DNA序列相匹配的模板，接著按照這個模板精確地修復切口。通過提供一個含有所需變更的DNA模板，科學家們就可以利用HR機制來進行精確的基因編輯。