一文看全！基因编辑原理、全球顶尖科学家和科研机构
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基因就像是人体的代码。有了这组漂亮的代码，人体这个复杂的程序才能跑得起来。但最初，这一代码并不由人类所掌握，在人类历史的绝大多数时间里，很多与之有关的科学现象只能以“鬼狐仙怪”来理解。尹哥常科普的测序技术即是“读”取这一代码的重要方法，为我们打开基因世界的大门提供了钥匙。而今天尹哥想科普的基因编辑技术，则是“写”这一代码的重要工具，它的发现和进一步完善也让两位科学家获得2020年诺贝尔化学奖。
因开发出高效的基因编辑技术，埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德娜获得2020年诺贝尔化学奖
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何为基因编辑？
基因编辑技术是对基因进行DNA片段插入或者敲除，以改变生物遗传形状的技术，它与传统转基因技术的区别是，转基因是把外源基因转入生物的染色体中，而基因编辑技术是对原有基因进行修改。
早期的基因编辑技术包括锌指核酸内切酶（zinc-finger nucleases，ZFN）技术和类转录激活因子效应物核酸酶（transcription activator-like effector nucleases，TALEN）技术。这两种技术都能对基因进行定点编辑，但成本更低、操作更简便、准确度更高的CRISPR-Cas9技术问世后，迅速取代了前两种基因编辑技术，现在说起基因编辑，基本上指的都是CRISPR-Cas9技术。
CRISPR-Cas9技术的发明灵感来源于细菌或古菌的免疫防御系统。当病毒入侵，把自己DNA整合到细菌或古菌染色体中时，细菌或古菌便会识别病毒的DNA序列，把一小段病毒DNA整合到染色体中名为CRISPR序列的串联重复序列里；当同样的病毒再次入侵时，CRISPR序列附近的Cas9基因便会表达Cas9蛋白，该蛋白能针对性地识别被整合到CRISPR序列的那段病毒DNA，从而对含有同样片段的一切DNA进行切割，达到消灭病毒的目的。
Cas9属于Ⅱ型CRISPR-Cas系统，Cas9蛋白对病毒DNA的识别，需要借助一段结合在该蛋白上的RNA，这段RNA与病毒DNA互补，所以只要双链DNA上存在与这段RNA互补的序列，并且末端含有Cas9的特异性识别位点，Cas9蛋白会将它们切割。也就是说，利用此技术进行基因编辑时，只要给要切割的DNA人为合成一段互补RNA，使之与Cas9蛋白结合，Cas9蛋白便会识别这段DNA并进行切割，研究者便可以对这段DNA进行剪除，或者将一段新的DNA整合到被剪切的位置。
2012年，来自法国和美国的两位女科学家埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanulle Charpentier）和詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）首次用CRISPR-Cas9技术对DNA进行了编辑，两人即因此获得2020年诺贝尔化学奖。随后，华裔科学家张锋改良了该技术，用此技术对体外培养的人类细胞进行了基因编辑，这是此技术首次被应用于真核生物。
（Cas9蛋白连接的RNA片段能与目标DNA互补，Cas9蛋白便开始切割目标DNA，绘图：傅坤元）
基因编辑技术在使用过程中可能出现失误，导致该切割的基因没被切割，不该切割的正常基因反而被误切，这种情况叫脱靶。从目前的检测结果来看，CRISPR-Cas9技术的脱靶率较低，比其他基因编辑技术更加安全，已经在多个领域开始应用。
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基因编辑的应用
神器在手，焉有不用之理。CRISPR-Cas9技术的出现大大降低了科研成本，为新研究提供了强大的新工具，让生命科学走进了全新的纪元。此外，CRISPR-Cas9技术能准确、便捷地改造生物基因，为不少重症患者带来了康复的希望。
2016年，张锋等研究人员用CRISPR-Cas9技术来治疗一种名为杜氏肌肉营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy ,DMD）的遗传病。实验结果显示，经过基因治疗的动物模型病情得到了改善。另外也有研究证明，此技术可用于治疗地中海贫血和镰刀型贫血，将致病基因编辑为正常基因，便可让患者康复。而张锋的同门师妹杨璐菡，则致力于用CRISPR-Cas9技术清除猪基因组中的内源性逆转录病毒，并减少猪器官移植人体时产生的免疫排斥，培养出能为人体提供移植器官来源的基因编辑猪。
杨璐菡致力于用CRISPR-Cas9技术清除猪基因组中的内源性逆转录病毒
CRISPR-Cas9技术还能应用于肿瘤的免疫治疗。将肿瘤患者的T细胞进行基因编辑，可以提高T细胞对肿瘤细胞的识别、杀伤能力，再将经过基因编辑的T细胞注射回患者体内，这些细胞便会自发清除体内的肿瘤细胞。此外，研究人员还能用CRISPR-Cas9技术分别切割肿瘤细胞的各个基因，通过观察每个基因被切除后肿瘤细胞的生理活动，寻找使肿瘤细胞逃过免疫杀伤的基因，从而针对这些基因设计靶点药物，提高药物对肿瘤细胞的杀伤率。
就连一直被认为是“可防不可治”的唐氏综合征，都有望通过CRISPR-Cas9技术进行治疗。唐氏综合征是因为患者比常人多了一条21号染色体所致，如果能用CRISPR-Cas9技术敲除那条多余的21号染色体，便有望让患者的染色体数目恢复正常。但患者体内共有3条21号染色体，如果在敲除时不加区别地把3条染色体统统敲除，那就是治病不成反要命了。所以，研究人员还需要设计出针对多余21号染色体的敲除方案，特异性地把那条染色体敲除。这是一个相当艰难的工作，研究人员现在仍在努力。
除了定向地切割并编辑双链DNA外，美国博德研究所刘如谦（David Liu）团队进一步拓展了CRISPR-Cas9系统的应用，用失去酶活性的CRISPR蛋白融合一种可以替换碱基的酶，构建了可以不经切割直接修改单个碱基序列的单碱基编辑工具（base ending，BE）。单碱基编辑工具不会引入DNA切割，因此可以在一定程度上避免引入基因组的不稳定性。考虑到人类遗传病中有很大一部分都是单碱基突变造成的，能够精确修改的单碱基编辑器在医学应用上将会大有潜力。
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基因编辑可否改造人类？
既然基因编辑能治疗如此多的疾病，那肯定有人会问：在人类出生前便对其基因进行编辑，使人类免受疾病的威胁，算不算是功德一件？
2018年11月26日，世界上首批经过基因编辑的婴儿，双胞胎女婴“露露”和“娜娜”在中国出生，负责该项目的研究者表示，这对女婴的CCR5基因经过了基因编辑，使她们生来就能预防艾滋病毒的侵染。
此消息一经公布，便在国内外引发了巨大争议。“基因编辑婴儿”的诞生，到底是利用高科技让人类远离疾病威胁的福音，还是罔顾科研伦理道德的违规行为？
令人遗憾的是，这一对女婴都没能改造成功，从公布的结果来看，对她俩的基因编辑都出现了“脱靶”的现象。而且即使正确改造了CCR5基因，这对基因编辑女婴也并非与艾滋病完全绝缘，因为编辑CCR5基因只能预防某个亚型的艾滋病毒，其他亚型的艾滋病毒还是有机会感染CCR5基因改变者。其实，只要在日常生活中注意防范，无须进行基因改造也能预防艾滋病。即使父母患有艾滋病，在医疗技术的辅助下也能生下健康的孩子。此外，《自然·医学》（Nature Medicine）发表的研究论文指出，同源染色体上两个CCR5基因都被改造的人，不但寿命更短，感染流感、西尼罗河等病毒的风险也比普通人更高。也就是说，改造CCR5基因对这对女婴来说，预防艾滋病的意义其实并不大，还给她们增加了不少其他风险，有点得不偿失。
如今，用CRISPR-Cas9技术改造哺乳动物的基因，国内外不少实验室都能做到，并非什么尖端科技，广大科学家没有制造出基因编辑婴儿，完全是“非不能也，实不为也”。基因编辑技术目前大部分还处于科研实验阶段，尚未成熟到可以广泛用于人类的地步，在其安全性还没得到充分验证之前，就让基因编辑婴儿作为试验品降生，无疑是对生命安全、伦理道德极大的不尊重。而基因编辑也给这对女婴造成了终身的影响，她们在今后人生中，不但要承担该技术可能带来的后遗症，还要以“试验品”的身份面对旁人异样的目光，她们经过编辑的基因还会遗传给后代，影响她们后代的健康。为此，国内100多名科学家联名表达了对这一行为的反对和谴责。去年国家《生物安全法》正式实施，也对生物技术的应用作出了明确规定。
与之相对的，基于合理的科研和临床设计，遵循规范的流程操作和伦理审批，CRISPR-Cas9技术应用于临床治疗是有着光明前景的。张锋及其团队于2013年创立的Editas公司一直致力于推进CRISPR-Cas9技术的临床应用。2018年底，FDA已接受该公司产品EDIT-101的新药研究（Investigational New Drug，IND）申请，允许其开展基因编辑临床试验，治疗莱伯氏先天性黑蒙10型（Leber congenital amaurosis 10，LCA10）眼病。这也预示着CRISPR-Cas9技术的力量将有可能改变世界各地严重疾病患者的生活，为医学治疗带来新的福音。
技术无罪，罪在人心。CRISPR-Cas9技术本是人类科技的一大进步，它的诞生旨在消灭疾病、造福人类，不应成为某些人进行非法人体试验、哗众取宠的工具。任何一种科技，都要正确利用才能体现其价值，滥加使用将会后患无穷。
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基因编辑领域全球顶尖科学家
张 峰
国家：美国
单位：麻省理工学院/博德研究所
主要研究领域及方向：脑科学，基因编辑工具开发与应用，人类遗传、表观遗传及癌症等疾病基因治疗药物的开发
重大科研成果：建立光遗传技术研究神经元活动，为脑科学研究提供有力工具。CRISPR-Cas系统细胞体内编辑的开创者，拥有CRISPR真核细胞内编辑专利。创立Editas medicine、Beam therapeutics、arbor biotechnology、sherlock biosciences等企业，布局基因编辑技术在生物技术、医学治疗与诊断等方面商业化应用。
Jennifer A. Doudna
国家：美国
单位：加州大学伯克利分校
主要研究领域及方向：生物大分子结构与机制解析、新型基因编辑工具、医疗诊断、真核生物细胞内基因编辑。
重大科研成果：CRISPR-Cas作用原理发现者之一，诺贝尔奖获得者，拥有多项CRISPR专利。创立Intellia Therapeutics、Mammoth Bioscience、Caribou Biosciences等公司，布局基因编辑技术在生物技术、医学治疗与诊断等方面商业化应用。
Emmanuelle charpentier
国家：法国
单位：MPUSP（德国）
主要研究领域及方向：人类病原菌中小型调控RNA和RNA酶的作用机制，CRISPR-Cas在适应性免疫中的作用机制，毒素-抗毒素系统功能与作用机制，细菌蛋白水解及质量控制的调控机制，利用永生细胞及CRISPR技术研究细胞全生命周期调控机制，解析宿主抵御细菌的抗感染机制。
重大科研成果：CRISPR-Cas作用原理发现者之一，诺贝尔奖获得者，拥有多项CRISPR专利。创立CRISPR Therapeutics、ERS Genomics、Casebia Therapeutics等公司，布局基因编辑技术在生物技术、医疗等领域商业化应用。
George M. Church
国家：美国
单位：哈佛大学
主要研究领域及方向：Chip-DNA合成，DNA存储，基因组测序，合成生物学与基因编辑，干细胞工程。
重大科研成果：发表首个直接基因组测序方法；发明多重化分子技术与条形码标签。CRISPR-Cas系统细胞体内编辑的共同开创者，建立多家生物公司，涉及医疗诊断、合成生物学与生物治疗，如Editas medicine、Egenesis等。
David Ruchien Liu
国家：美国
单位：哈佛大学
主要研究领域及方向：DNA-模板合成发现生物活性小分子及多聚体，蛋白进化与传递，基因组编辑。
重大科研成果：发明碱基编辑器与Prime编辑器，PACE技术进行蛋白进化，DTS技术挖掘活性小分子。合作创立Editas medicine、Beam Therapeutics、Prime Medicine、Pairwise Plants等公司，布局基因编辑技术在生物技术、医疗等领域商业化应。
李大力
国家：中国
单位：华东师范大学
主要研究领域及方向：基因编辑技术体系优化与创新，基因治疗策略开发与可行性研究。
重大科研成果：围绕基因编辑技术和基因治疗方法以第一发明人申请发明专利12项，已授权一项并转化。2020年国家自然科学基金杰出青年基金获得者，邦耀生物联合创始人。
魏文胜
国家：中国
单位：北京大学
主要研究领域及方向：发展基于基因组编辑技术的高通量功能基因组学、开发新型基因编辑技术并应用于基因治疗。发展基于环状RNA的新型核酸治疗及疫苗技术平台。研究癌症、感染等重大疾病发生机制，为发展高效治疗手段提供新的药物靶点和思路。
重大科研成果：发表了多篇高影响论文，共申请近10项发明专利，已获4项发明专利授权。获谈家桢生命科学创新奖、中国专利优秀奖、科学中国人年度人物等，创立博雅辑因和圆因生物。建立环状RNA疫苗技术平台，开发出针对新冠病毒及一系列变异株的环状RNA疫苗；建立新型RNA编辑技术LEARER及其优化版本LEARER2.0（Nature Biotechnology）。
高彩霞
国家：中国
单位：中国科学院遗传与发育生物研究所
主要研究领域及方向：从事植物基因组编辑技术、生物安全新型育种技术以及基因组编辑定向设计分子育种等方面的研究，致力于推动基因组编辑在分子设计育种中的应用。
重大科研成果：2010年入选中国科学院“杰出技术人才”，2021创立齐禾生科。植物基因编辑领域专家。植物CRISPR-Cas9基因编辑技术建立，植物碱基编辑及引导编辑技术建立与优化，开创作物遗传改良新策略。
江媛
国家：中国
单位：华大生命科学研究院（美洲分院）
主要研究领域及方向：新型基因编辑底层工具的开发。
重大科研成果：开发了多项基因编辑底层工具，具有蛋白更小或PAM更广泛等优势。建立了高通量研究蛋白与DNA互作平台DocMF（已发表于Science Advances），可高灵敏度、高深度、快速检测Cas蛋白的PAM序列。结合微流控技术与基因编辑技术，开发了新冠检测一体机，可实现“样品进结果出”的快速检测。
朱健康
国家：中国
单位：南方科技大学
主要研究领域及方向：植物对非生物胁迫的应答机制和调控技术研究，以及基因编辑技术的开发与应用研究。
重大科研成果：在植物抗旱、耐盐与耐低温等方面的研究硕果累累，发表了400多篇高水平研究论文，是世界植物科学领域发表文章引用率最高的科学家之一，为美国科学院院士。植物基因编辑领域专家，2018年创立舜丰生物。
刘耀光
国家：中国
单位：亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室
主要研究领域及方向：水稻细胞质雄性不育基因及其恢复基因的克隆和分子机理、水稻杂种不育基因的克隆和分子机理、水稻生植发育的分子调控等。
重大科研成果：高效的植物基因组编辑载体系统和软件工具包及其应用（大北农科技奖基因工程奖）。杂交稻育性控制的分子遗传基础（国家科学技术奖励自然科学二等奖），为中国科学院院士。
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基因编辑领域全球知名机构
博德研究所（Broad Institute）
国家：美国
主要研究领域及方向：人类疾病研究，基因组读写技术，数据与工具共享，发展诊断与治疗技术，合作与创新、商业化。
重大科研成果：CRISPR-Cas等基因编辑技术，拥有大量基因编辑相关专利。成功研发 DNA 显微镜。绘制人类第一代癌细胞系转移图谱MetMa。建立全新 RNA 递送平台 SEND。
哈佛大学（Harvard University）
国家：美国
主要研究领域及方向：文学、医学、法学、商学等多个领域拥有崇高的学术地位及广泛的影响力，被公认为是当今世界最顶尖的高等教育及研究机构之一。
重大科研成果：世界上最负盛名的高等学府之一，其医学院全球顶级。汇集基因编辑顶级科学家，包括George Church，David Liu，J. Keith Joung等，拥有大量基因编辑相关专利。
麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）
国家：美国
主要研究领域及方向：以顶尖的工程学和计算机科学而著名，是工程科技界的学术领袖。
重大科研成果：世界上最负盛名的高等学府之一，拥有林肯实验室等。拥有大CRISPR-Cas等基因编辑相关专利（Feng Zhang等）。
Sangamo Therapeutics（Edward O.Lanphier II等于1995年创办）
国家：美国
主要研究领域及方向：以ZFN为核心的基因组药物开发，通过基因治疗、细胞治疗、体内基因编辑及体内基因调节等开发治疗遗传病、肿瘤和神经系统疾病等疾病的基因药物。
重大科研成果：ZFNs基因编辑技术主要专利持有者，基于ZFNs技术开发了四大药物平台——基因治疗、细胞治疗、体内基因组编辑和体内基因组调节。与辉瑞、赛诺菲等制药巨头建立了合作关系，目前在研的药物覆盖遗传病、肿瘤、神经系统疾病、HIV等领域。
Editas Medicine（张峰等于2013年创办）
国家：美国
主要研究领域及方向：以CRISPR-Cas9和CRISPR-Cas12a为核心，开发体内及体外基因治疗药物，目前主要集中于眼部、血液类遗传疾病和肿瘤等基因治疗药物研发。
重大科研成果：拥有CRISPR-Cas9和CRISPR-Cas12a人类细胞内基因编辑专利。目前体内基因编辑疗法涉及眼部疾病（如Leber先天性黑蒙10型）和神经系统疾病等的治疗；体外基因编辑疗法涉及血红蛋白等疾病；细胞疗法涉及基于T细胞和iPSC NK细胞的肿瘤细胞治疗。
CRISPR Therapeutics（Emmanuelle charpentier等于2013年创办）
国家：瑞士、美国
主要研究领域及方向：利用其专有的CRISPR-Cas9平台开发治疗严重疾病（如β地中海贫血、镰状细胞疾病、癌症和糖尿病）的变革性基因药物。
重大科研成果：建立了一系列的产品管线，涵盖血红蛋白病、肿瘤学、再生医学和罕见病四大领域。
Intellia Therapeutics（Jenifer Doudne等于2014年5月创办）
国家：美国
主要研究领域及方向：基于CRISPR-Cas9平台开发治疗严重疾病（如β地中海贫血、镰状细胞疾病、癌症和糖尿病）的变革性基因药物。
重大科研成果：建立体内基因编辑疗法，如甲状腺蛋白淀粉样变性、遗传性血管水肿、肝脏与肺部疾病及血友病。建立体外基因编辑疗法，如血液病及实体瘤等。与诺华、regeneron，vertex、bayer等巨头合作开发基因治疗药物。
Beam therapeutics（刘如谦、张锋、Keith Joung等于2017年创办）
国家：美国
主要研究领域及方向：基于碱基编辑器基因编辑技术实验商业化精准基因治理药物开发。
重大科研成果：Base editing技术发明者及专利持有人。
深圳华大生命科学研究院（华大团队于2007年创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：新型基因编辑系统开发，基因编辑检测技术开发，基于合成编辑技术的农业及疾病治疗应用研究。
重大科研成果：建立高通量新编辑系统筛选鉴定平台，已挖掘出10个具备体内活性的新编辑体系。主持完成科技部应急攻关项目CRISPR核酸快检一体机研发。孵化针对肿瘤新抗原的T细胞治疗公司吉诺因，其Neo-T注射液为国内首个获国家药监局批准开展临床试验的肿瘤新抗原T细胞治疗产品。孵化针对造血干细胞改造治疗的禾沐基因公司，针对地中海贫血的治疗研发达国内先进水平。建立真核生物大尺度合成编辑改造技术流程，人工染色体及合成基因组研究处于国内先进水平。
山东舜丰生物科技（朱健康于2018年5月创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：基因编辑领域的关键技术与共性技术的开发与改进，农作物新品种开发。
重大科研成果：自主知识产权基因编辑工具Cas12i和Cas12j的开发与深度应用；其他共性基因编辑工具的开发及专利布局。高效建立大豆、玉米、水稻、小麦、番茄、生菜、藜麦和丹参等二十余种作物的标准化植物基因编辑平台。农作物新品种开发：开展了百余项产品的储备布局，包括大豆新品种、抗盐碱及高品质小麦、高维生素C等。
教育部分子设计育种前沿科学中心（中国农业大学于2022年1月创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：聚焦重要经济性状遗传基础、环境适应性的分子基础和农业生物分子设计育种3个基础前沿研究，实现玉米、小麦、生猪、蛋鸡新品种的精准培育。
重大科研成果：拥有Cas12i、Cas12j专利。
齐禾生科（高彩霞&Kevin Zhao于2021年创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：开发具有自主知识产权的高效基因编辑工具，并将其应用于农业育种、生物医药及合成生物学等多个领域。
重大科研成果：开发一系列高效植物基因编辑工具。
博雅辑因（魏文胜于2015年创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：专注于基因编辑技术转化的、处于临床阶段的全球性生物医药企业，致力于研发针对难以根治的遗传病和癌症的创新疗法。
重大科研成果：建立起拥有自主知识产权的，基于RNA单碱基编辑技术的体内基因治疗平台和致力于靶向药物研发的高通量基因组编辑筛选平台。2021年1月，博雅辑因宣布中国国家药监局已批准其针对输血依赖型β地中海贫血的CRISPR-Cas9基因编辑疗法产品ET-01的临床试验申请，为国内首个获批开展临床试验的基因编辑疗法产品和造血干细胞产品。
百格基因（徐聪聪等于2014年10月创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：基因组编辑技术在医疗健康和现代农业领域的研究、转化和应用。
重大科研成果：拥有独有的全基因组单/多位点分析设计系统、高通量的gRNA载体组装技术、高效的遗传转化技术和基于云端的测序结果自动化分析体系。具有单基因/多基因敲除、短片段/长片段删除、单碱基/多碱基替换敲入和条件性敲除等全面的基因组编辑技术。拥有从细胞到小鼠，从拟南芥到水稻、大豆和玉米等各个物种的基因组编辑经验。
启函生物（杨璐菡&George Church于2017年创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：拥有世界领先的高通量基因编辑技术和移植免疫的受体兼容改造技术，致力于革新细胞和器官治疗。
重大科研成果：成功地做出了第一代可用于临床的异种器官移植雏形——“猪3.0”。打造多基因编辑平台与移植免疫兼容平台。目前公布NK细胞疗法临床前数据，抗血液瘤和实体瘤效果出色。
瑞风生物（梁峻彬，黄军就等于2019年创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：以基因编辑技术为核心驱动，致力于革新性药物的诞生。内容涉及基因编辑工具创新、成药策略发现、新型动物模型构建、多层次药效和安全性评估等，拥有体内和体外两大创新药物方向。
重大科研成果：最早应用基因编辑探索遗传疾病治疗，全球范围内首次报道的基因编辑修饰γ-珠蛋白启动子的地贫临床研究成功案例。2022第六届医疗健康投资卓悦榜“年度生物医药最佳企业”。
邦耀生物（刘明耀、席在喜等于2013年创办）
国家：中国
主要研究领域及方向：通过搭建基因编辑技术创新平台、造血干细胞平台、非病毒定点整合CAR-T平台、通用型细胞平台、增强型T细胞平台五大具有自主知识产权的技术平台及GMP中试基地，推动创新的研究成果能够快速转化与应用。
重大科研成果：依托自主研发中心及与高校共建的“上海基因编辑与细胞治疗研究中心”，过去5年已产生100多项专利成果。有5个项目在8所知名医院开展研究者发起的临床试验。基因编辑治疗β-地中海贫血症、非病毒PD1定点整合CAR-T以及UCART等项目已经取得优异临床效果，具有全球领先性。
部分内容摘自《生命密码2》
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