基因编辑（gene editing）是一种基因工程技术。基因编辑（gene editing），又称基因组编辑（genome editing）或基因组工程（genome engineering），是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。

2021年2月，《最高人民法院最高人民检察院关于执行，<中华人民共和国刑法>确定罪名的补充规定（七）》规定了非法植入基因编辑、克隆胚胎罪罪名。

中文名

基因编辑

外文名

Genome editing

类型

生物科技术语

应用技术

CRISPR/Cas9

基本简介

基因编辑是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术或过程。

早期的基因工程技术只能将外源或内源遗传物质随机插入宿主基因组，基因编辑则能定点编辑想要编辑的基因。

基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。这种靶向突变就是基因编辑。

基因编辑以其能够高效率地进行定点基因组编辑，在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。

技术方法

同源重组

同源重组（Homologous recombination）是最早用来编辑细胞基因组的技术方法。同源重组是在DNA的两条相似（同源）链之间遗传信息的交换（重组）。通过生产和分离带有与待编辑基因组部分相似的基因组序列的DNA片段，将这些片段注射到单核细胞中，或者用特殊化学物质使细胞吸收，这些片段一旦进入细胞，便可与细胞的DNA重组，以取代基因组的目标部分。这种方法的缺点是效率极低，且出错率高。

核酸酶

基因编辑的关键是在基因组内特定位点创建DSB。常用的限制酶在切割DNA方面是有效的，但它们通常在多个位点进行识别和切割，特异性较差。为了克服这一问题并创建特定位点的DSB，人们对四种不同类型的核酸酶（Nucleases）进行了生物工程改造。它们分别是巨型核酸酶（Meganuclease）、锌指核酸酶（ZFNs），转录激活样效应因子核酸酶（TALEN）和成簇规律间隔短回文重复（CRISPR / Cas9）系统。ZFN、TALEN和巨型核酸酶被Nature Methods选为2011年度方法。 CRISPR-Cas系统被科学界选为2015年度最佳突破。

巨型核酸酶

巨型核酸酶是一种脱氧核糖核酸内切酶，其特征在于它的识别位点较大（12至40个碱基对的双链DNA序列）。因此，该位点通常在任何给定的基因组中仅发生一次。因此，巨型核酸酶被认为是最特异的天然存在的核酸酶。

锌指核酸酶

锌指核酸酶是一个经过人工修饰的核酸酶，它通过将一个锌指DNA结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而产生。通过设计锌指结构域就可以实现对目的基因的特定DNA序列的靶向切割，这也使得锌指核酸酶能够定位于复杂基因组内的独特的靶向序列。通过利用内源DNA修复机制，锌指核酸酶可用于精确修饰高等生物的基因组。

转录激活样效应因子核酸酶

TALEN是经过基因工程改造后的可以切割特定DNA序列的限制酶。TALEN是通过将一个TAL效应子DNA结合结构域与核酸酶的一个DNA切割结构域融合而获得的。TALENs可以被设计成与几乎任何所需的DNA序列结合，因此当与核酸酶结合时，DNA可以在特定位置进行切割。

成簇规律间隔短回文重复

CRISPR-Cas是原核生物免疫系统，赋予原核生物对如存在于质粒和噬菌体中的外来遗传物质的抗性，是一种获得性免疫系统。携带间隔序列的RNA有助于Cas（CRISPR相关）蛋白识别并切割外源致病DNA。其它RNA指导的Cas蛋白切割外源RNA  。

CRISPR-Cas系统是应用最广泛的基因编辑工具。

核酸酶的精确度和效率

在上述几种核酸酶中效率最低的是巨型核酸酶，受到其DNA结合元件和切割元件制约，它在每1,000个核苷酸中才能识别一个潜在的靶标。开发ZFN克服了巨型核酸酶的局限性，ZFN在每140个核苷酸中可有一个识别位点。但因为DNA结合元件的相互影响，巨型核酸酶和ZFN两种方法的精确度都是不可预测的。因此，需要高度专业知识和冗长且昂贵的验证过程。 TALEN是最精确和特异的核酸酶，比前两种方法有更高的效率。因为DNA结合元件由一系列TALE亚基组成，每个亚基具有识别独立于其他亚基的特定DNA核苷酸链的能力，从而产生具有高精度的更高数目的靶位点。生产一个新的TALEN核酸酶大约需要一周时间和几百美元。与TALE核酸酶相比，CRISPR核酸酶的精确度略低。这是由于CRISPR-Cas需要在一端拥有一个特定核苷酸以产生CRISPR修复断裂双链的指导RNA。但CRIPSR-Cas已被证明是最快捷、最便宜的方法，只花费不到两百美元和几天的时间。CRISPR对ZFN和TALEN方法的一个主要优点是可以使用其~80nt CRISPR sgRNA直接定位不同的DNA序列，而ZFN和TALEN方法都需要对定位到每个DNA序列的蛋白质进行构建和测试。

活性核酸酶的脱靶效应可能会在遗传和生物水平上产生潜在的危险。研究发现，ZFNs往往比TALEN方法或CRISPR-Cas具有更多的细胞毒性，而TALEN和CRISPR-Cas的方法往往具有最高的效率和较少的脱靶效应。这些核酸酶中，TALEN方法精确度最高

技术应用

基因编辑已经开始应用于基础理论研究和生产应用中，这些研究和应用，有助于生命科学的许多领域，从研究植物和动物的基因功能到人类的基因治疗。下面主要介绍基因编辑在动植物上的应用。

动物基因的靶向修饰

基因编辑和牛体外胚胎培养等繁殖技术结合，允许使用合成的高度特异性的内切核酸酶直接在受精卵母细胞中进行基因组编辑。 CRISPR -Cas9进一步增加了基因编辑在动物基因靶向修饰的应用范围。CRISPR-Cas9允许通过细胞质直接注射（CDI）从而实现对哺乳动物受精卵多个靶标的一次性同时敲除（KO）  。

单细胞基因表达分析已经解决了人类发育的转录路线图，从中发现了关键候选基因用于功能研究。使用全基因组转录组学数据指导实验，基于CRISPR的基因组编辑工具使得干扰或删除关键基因以阐明其功能成为可能。

植物基因的靶向修饰

植物基因的靶向修饰是基因编辑应用最广泛的领域。首先可以通过修饰内源基因来帮助设计所需的植物性状。例如，可以通过基因编辑将重要的性状基因添加到主要农作物的特定位点，通过物理连接确保它们在育种过程中的共分离，这又称为“性状堆积”。其次，可以产生耐除草剂作物。比如，使用ZFN辅助的基因打靶，将两种除草剂抗性基因（烟草乙酰乳酸合成酶SuRA和SuRB）引入作物。再次，可以用来防治各种病害如香蕉的条纹病毒。

此外，基因编辑技术还被应用于改良农产品质量，比如改良豆油品质  和增加马铃薯的储存潜力。

技术突破

2019年8月27日，美国科学家借助基因编辑技术CRISPR-Cas9，制造出了第一种经过基因编辑的爬行动物——一些小型白化蜥蜴，这是该技术首次用于爬行动物。由于白化病患者经常有视力问题，因此，最新突破有助于研究基因缺失如何影响视网膜发育。

领导研究的筑波大学教授江面浩说，基因编辑能大幅缩短作物品种改良时间，可以将原来需要10年的品种改良时间缩短到约1年半。

未来发展

未来的一个重要目标必须是提高核酸酶的安全性和特异性，提高检测脱靶事件的能力，掌握预防方法。ZFNs中使用的锌指很少完全特异，有些还可能引起毒性反应。对ZFN的切割结构域进行修饰可以降低毒性。

此外，要加强对DNA重组和DNA修复机制的认识。

CRISPR的简易性和低成本，使得其获得广泛的研究和应用。由于其精确性和效率，CRISPR和TALEN都有望成为大规模生产中的选择。

技术原理

基因编辑

基因编辑技术中，以ZFN （zinc-finger nucleases）和TALEN（transcription activator-like effector nucleases）为代表的序列特异性核酸酶技术以其能够高效率地进行定点基因组编辑，在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。

CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。与前两代技术相比，其成本低、制作简便、快捷高效的优点，让它迅速风靡于世界各地的实验室，成为科研、医疗等领域的有效工具。CRISPR/Cas9技术被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。[1]

执行手段

1、基因敲除：如果想使某个基因的功能丧失，可以在这个基因上产生DSB，非同源末端连接（NHEJ）修复的过程中往往会产生DNA的插入或删除（indel），造成移码突变，从而实现基因敲除。

2、特异突变引入：如果想把某个特异的突变引入到基因组上，需要通过同源重组来实现，这时候要提供一个含有特异突变同源模版。正常情况下同源重组效率非常低，而在这个位点产生DSB会极大的提高重组效率，从而实现特异突变的引入。

3、定点转基因：与特异突变引入的原理一样，在同源模版中间加入一个转基因，这个转基因在DSB修复过程中会被拷贝到基因组中，从而实现定点转基因。通过定点转基因的方法可以把基因插入到人的基因组AAVS1位点，这个位点是一个开放位点，支持转基因长期稳定的表达，破坏这个位点对细胞没有不良影响，因此被广泛利用。

有着“豪华版”诺奖之称的“2015年度生命科学突破奖”颁发给了发现基因组编辑工具“CRISPR/Cas9”的两位美女科学家——珍妮弗·杜德娜和艾曼纽·夏邦杰。二人更是获得了2015年度化学领域的引文桂冠奖——素有诺奖“风向标”之称，曾被认为是2015年诺贝尔化学奖的最有力竞争者。

2018年11月，中国深圳的科学家贺建奎宣布，他们团队创造的一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿在中国诞生。这对双胞胎的一个基因经过修改，使她们出生后就能天然抵抗艾滋病，这是世界首例免疫艾滋病的基因编辑婴儿。

2018年12月，美国一家基因编辑公司宣布，将启动一项利用CRISPR基因编辑技术治疗某种遗传性眼疾的临床试验，相关申请已被美国监管部门接受。在这一临床试验中，基因编辑的对象是先天性黑朦病患者眼睛里的感光细胞，这是一种体细胞，而非生殖细胞。体细胞的遗传信息不会遗传给下一代，所以不涉及伦理道德问题。[2]

2020年2月8日，在美国进行的一项临床试验显示，经过体外多次基因编辑的免疫细胞可在癌症患者体内存活数月，表明这种方法未来有望用于抗癌和治疗其他疾病。[3]

2020年12月11日，日本厚生劳动省通过其国内首个基因编辑食品的销售申请。这是一种基因编辑的西红柿，含有更多营养成分γ-氨基丁酸，预计最早将于2022年上市销售。[4]

社会质疑

基因编辑

世界上有了“转基因的婴儿”，在短暂的“划时代成果”欢呼和喝彩之后，迎来了从科学家群体到普通民众的普遍质疑和惊讶，直指对人类实施基因编辑的伦理正当性，甚至事件的真实性。

基因编辑是人对身体的遗传密码做出的修改，对此，人类早就有多种伦理原则进行规范，其中的一个原则是，必须要有国家级的政府伦理机构批准，并且尚不能允许经过基因修改的婴儿出生，即便要用人的胚胎进行研究，也一般限于14天的胚胎，即胚胎发育到14天后必须销毁，不能发育成长为人。因此，所谓“免疫艾滋病基因婴儿”的出生，有违目前公认的伦理和伦理管理原则，不啻于以科学之力创造了“弗兰肯斯坦”。

而且事件显得扑朔迷离。网上流传的“医学伦理审查申请书”显示，批准这次基因编辑实验的是深圳和美妇儿科医院，这是一家民营资本医院，而且之前有不少的负面新闻。但是，该院否认婴儿出生在他们那里；该医院伦理委员会前成员甚至称“签名是伪造的”。这么一起人命关天的人体试验，到底有没有经过合法的医学伦理审查？是不是存在造假问题？

其次，贺建奎强调，对婴儿的基因编辑是出于治疗目的。但是，阻断艾滋病母婴传播的技术已经很成熟，什么样的“治疗目的”，需要对婴儿进行基因编辑？

第三，贺建奎本人在2017年年初还撰文称：“CRISPR-Cas9是一种新技术，我们需要更多深入的研究和了解。不论是从科学还是社会伦理的角度考虑，没有解决这些重要的安全问题之前，任何执行生殖细胞系编辑或制造基因编辑的人类的行为是极其不负责任的。”那么，为什么短短一年之后基因编辑婴儿就在贺建奎手中降生了？这是不是“极不负责任的”？科学家的态度发生了180度的大转弯，背后有没有不正当的利益纠葛？

此外，由于基因剪刀CRISPR/Cas9具有不稳定性，经常脱靶，因此对人的伤害不小；而且，敲除这个靶点后有没有其他潜在威胁，会不会产生蝴蝶效应？同时，包括《科技日报》在内的科学界媒体也在质疑：基因编辑是否能完全有效地防止感染艾滋病病毒？如何来证明？

“人是目的本身，而不是手段”，应该是基因领域的金科玉律。那两个叫露露、娜娜的孩子，是活生生的人，拥有自己独立的人格和价值，不是实验的材料。基因被编辑过的婴儿降临人间，对于人类历史是一个大事，我们做好了足够准备了吗？打开潘多拉的魔盒，当慎之又慎，哪怕盒子里装的是希望。[2]

相关法律

2020年12月26日第十三届全国人民代表大会常务委员会第二十四次会议通过《中华人民共和国刑法修正案（十一）》，在刑法第三百三十六条后增加一条，作为第三百三十六条之一：“将基因编辑、克隆的人类胚胎植入人体或者动物体内，或者将基因编辑、克隆的动物胚胎植入人体内，情节严重的，处三年以下有期徒刑或者拘役，并处罚金；情节特别严重的，处三年以上七年以下有期徒刑，并处罚金。”[5]