基因编辑演进历程:CRISPR技术广受欢迎

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本文核心数据:基因编辑发展历程;基因编辑技术更迭;主流基因编辑技术演进历程;主流基因编辑技术详解

基因编辑的含义

根据中国科技术语的定义,基因编辑(gene editing)是对生物体的基因组及其转录产物进行定点修饰或者修改,以改变目的基因或调控元件的序列、表达量或功能。基因编辑技术的原理为,通过利用序列特异性的核酸酶在DNA特定位点引入或缺失碱基,产生高频诱导突变,对目标基因或特定DNA片段进行“编辑”,从而实现对目标基因或特定DNA片段的敲除或加入。

图表1:基因编辑的含义

基因编辑发展历程

基因编辑行业历经数十年的发展,已经取得了一定的进步。1973年,第一个基因工程生物诞生,这是一个添加了一个基因后可以抵抗抗生素的细菌。1996年,孟山都公司推出了第一批基因修饰农作物,这些农作物以其优良的属性,快速占领了农产品市场。2012年,加州大学和Broad的科研人员发现,一种细菌免疫系统可以作为基因编辑工具,在生物体的基因组中任何地方对DNA进行特定的改变,这就是CRISP/Cas9诞生的基础,2015年,Kevin Esvelt等人刊发了一篇论文,展示了如何利用CRISPR进行基因修饰,从而永久改变或根除他们。到2023年,CRISPR公司以及Vertex公司完成了向FDA提交了其产品exa-cel上市核准申请,该产品有望在2023年上市。对比国内来看,2012年以前,国内基因编辑行业发展较为缓慢,相关科研成果数量较少,知道2014年开始取得了较大的进展。现阶段我国基因编辑行业发展的特点主要是科研成果数量较多,但产业化应用相对空白,主要是政策监管较为严格所致。

图表2:全球及中国基因编辑发展历程

基因编辑技术更迭

从基因编辑技术的代系更迭方面来看,基因编辑技术路线的发展先后经历了ZFN技术、TALEN技术以及CRISPR/Cas技术。从技术的先进性与便捷性来讲,随着技术更新逐渐提升,从技术引发的细胞毒性以及技术难度来讲,也随着技术的更新逐渐下降。

图表3:基因编辑技术路线更迭变化

主流基因编辑技术演进历程

从主流基因编辑技术演进历程来看,1987年日本大阪大学首次在大肠杆菌iap基因的3选侧限序列中发现5股长为29nt的重复回文序列,2002年该重复回文序列被命名为CRISPR,此后,类似的重复序列也不断在其他生物中被发现。2012年,基于CRISPR原理的基因编辑技术CRISPR/Cas9系统快速发展。截至2022年,美国麻省理工学院发现,RNA引导的CRISPR/Cas效应切割可触发适应性免疫反应。

图表4:CRISPR/Cas技术演进历程

主流基因编辑技术详解

基因编辑的主流技术方向为CRISPR/Cas9技术,该技术主要通过组件CRISPR序列,转录表达CRISPR序列,切割同源DNA达到基因编辑的目的。截至2023年,其应用领域主要为医学、植物以及工业,在医学方面,对于纠正致病病变、细胞修复以及保护突变方面具有重要意义。

图表5:CRISPR技术详解

注:该图表来自《中科院院刊》2020年第12期“科技与社会”,原文标题为《基因编辑的技术分析与思考》,作者宋秀芳、魏雪梅、郑丽丽、赵亚娟、张可心、刘春光、胥伟华

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