【年终盘点】2021年基因编辑领域必看的精华研究内容

基因编辑（gene editing），又称基因组编辑或基因组工程，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。作为生命科学发展迅速的重要研究领域，基因编辑技术的开发及应用使得生物体的遗传改造进入了前所未有的深度与广度。在20世纪80年代始，基因编辑技术开始不断发展。在CRISPR基因编辑技术横空出世之后，各路科研“豪杰”应用和发展该技术，基因编辑技术更是有了突飞猛进的发展。

基因编辑技术在基因功能研究、药物开发、疾病治疗等方面有着重要应用和广阔的前景，成为近几年科学界追逐的热点。在这里，我们收集了一些2021年的基因编辑领域的精华研究内容，供科研工作者参考。

2021年12月29日，由中国科学院种子设计创新研究院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究团队在《Molecular Cell》上，发表了一篇“The CRISPR-Cas toolbox and gene editing technologies”的研究。CRISPR-Cas系统的出现，加速了基因编辑技术的发展，广泛应用于生命科学领域。为了提高这些系统的性能，研究人员设计和开发了各种各样的CRISPR-Cas工具，具有更广泛的目标范围、更高的效率和特异性以及更高的精度。此外，CRISPR-Cas相关技术也已经扩展到通过引入功能元素来切割DNA，从而允许精确的基因修饰、控制基因表达、进行表观遗传变化等。本文介绍和总结了不同类型CRISPR-Cas工具的特点和应用，讨论了当前方法的一些局限性，并展望了CRISPR-Cas系统优化的前景。

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)01039-X#%20

11月25日，在《Nature Communications》上，发表了一篇“Gene editing enables rapid engineering of complex antibiotic assembly lines”的研究，描述了如何利用CRISPR-Cas9基因编辑创造出新的非核糖体肽合成酶(NRPS)，递送临床上重要的抗生素。NRPS酶是天然抗生素（如青霉素）的多产者。然而，直到现在，操纵这些复杂的酶来生产新的、更有效的抗生素一直是一个重大挑战。该研究团队开发的基因编辑方法是一种非常高效和快速的方法来改造复杂的装配线酶，可以产生具有潜在改善特性的新抗生素结构，并可能导致开发新的治疗方法，有助于未来抗击耐药病原体和疾病。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27139-1

10月20日，在《Cell》上，发表了一篇“Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair”的研究。由创始人华裔生物学家张锋等人联合创办的一家基于CRISPR技术的基因编辑生物科技公司Editas Medicine，详细介绍了一种称为Repair-seq的新方法，揭示了基因编辑工具的工作原理。为了修复DNA，细胞使用许多不同的机制，每一种机制都涉及一组基因，它们以不同的途径协同工作。研究人员现在通过用Repair-seq同时分析数百个单独基因如何影响受损部位产生的突变，来探索这些途径对修复特定DNA损伤的贡献。然后，他们可以生成DNA修复的机制模型，并了解这些机制如何影响基因组编辑。他们应用于最常用的基因组编辑方法之一CRISPR-Cas9。David Liu团队开发了称为先导编辑的基因组编辑系统，研究人员也将Repair-seq应用于改进其基因组编辑技术，使其最终成为一种更广泛适用、准确性更高的基因组编辑技术。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.002

同月18日，在《Molecular Therapy》上，发表了一篇“Gene editing to enhance the efficacy of cancer cell therapies”的研究，过继性T细胞疗法已经显示出令人印象深刻的活性信号，但它们的临床影响可以通过技术来提高T细胞的效力，并减少生产这些产品所涉及的成本。基因编辑平台正在该领域进行研究，目的是：通过敲除抑制免疫反应的分子来增强免疫细胞的效力；通过利用生理启动子、增强子和抑制子，将基因有效载荷传递到精确的基因组位置，从而提高安全性和/或改善基因表达谱；通过防止异变反应和免疫排斥，使现成的治疗成为可能。该文讨论了在人类T细胞和过继性T细胞疗法的背景下研究的最好的基因编辑方法，总结了它们的现状和潜力。

https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2021.10.001

9月9日，美国MIT的张锋团队在《Science》上，发表了一篇“The widespread IS200/IS605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases”的研究。IscB蛋白被认为是IS200/IS605转座子家族中编码的核酸酶，可能是RNA引导的核酸内切酶Cas9的祖先，但IscB的功能及其与任何RNA的相互作用仍未被确定。通过进化分析、RNA测序和生化实验，从IS200/IS605转座子重建了CRISPR-Cas9系统的进化过程。发现IscB使用单个非编码RNA进行RNA引导的双链DNA的切割，可以用于人类细胞的基因组编辑。还证明了RNA引导的TnpB的核酸酶活性，TnpB是另一个IS200/IS605转座子编码的蛋白，可能是Cas12内切酶的祖先。这项研究揭示了一种广泛存在的转座子编码的RNA引导的核酸酶，研究人员将其命名为OMEGA，具有作为生物技术开发的强大潜力。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6856

8月17日，在《Nature Communications》上，发表了一篇“A unified model of human hemoglobin switching through single-cell genome editing”的研究，通过对人类遗传变异的研究，阐明了胎儿血红蛋白(HbF)调控和转换的关键机制，包括HBG1/2启动子的突变，β-球蛋白位点的缺失，以及影响BCL11A的变异。虽然这导致了大量的见解，但对于这些独特的遗传提名元素以及其他关键转录因子(如ZBTB7A)如何共同相互作用来调节HbF还没有一个统一的理解。一个关键的限制是无法在初级等基因人类造血细胞中模拟特定的遗传变化。在这里，描述了一种单细胞基因组编辑功能试验，可以单独或组合地再现特定的突变，从而深入了解多个携带突变的功能元素如何共同促进HbF表达。结合定量建模和染色质捕获分析，说明了这些遗传发现如何使全面理解不同的调节机制如何协同调节HbF表达。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25298-9

7月26日，中科院院士叶玉如教授带领的国际化研究团队在《Nature Biomedical Engineering》上，发表了一篇“Brain-wide Cas9-mediated cleavage of a gene causing familial Alzheimer’s disease alleviates amyloid-related pathologies in mice”的研究。开发了一种使用全脑基因组编辑技术的新策略，可以减少转基因阿尔茨海默症小鼠模型的病症。新的基因组编辑系统不仅可以跨越血脑屏障，还可以为整个全脑提供优化的基因组编辑工具。通过使用新设计的基因组编辑运输载体，实现了通过单次非侵入性静脉注射即可高效地对全脑实行基因组编辑，有效地破坏了AD小鼠模型中由FAD引起的突变，并改善了整个大脑的AD病症，为该疾病的新型治疗方法的发展铺平了道路。全脑疾病修饰基因组编辑可能是治疗家族性阿尔茨海默病和其他影响多个大脑区域的单基因疾病的可行策略。

https://www.nature.com/articles/s41551-021-00759-0

6月26日，在《NEJM》上，发表了一篇 “CRISPR-Cas9 In Vivo Gene Editing for Transthyretin Amyloidosis”的研究，展示了CRISPR基因编辑的新突破：治疗罕见遗传病。研究人员将CRISPR药物注射到患有一种罕见遗传病(转甲状腺素运载蛋白淀粉样变性病)患者血液中，在其中三个人中，它几乎阻止了肝脏产生毒蛋白。CRISPR 临床试验旨在使一种突变基因失活，该突变基因会导致人体肝细胞产生一种错折叠的蛋白质，称为转甲状腺素运载蛋白（TTR），它会在神经和心脏上积聚，导致疼痛、麻木和心脏病。由此产生的病症相对罕见，一种批准的药物patisiran（帕提兰）可以稳定它。但资深生物技术 Regeneron Pharmaceuticals 和初创公司 Intellia Therapeutics 的研发人员将其视为他们正在开发的可注射 CRISPR 疗法的良好佐证。该研究为使用CRISPR治疗其他肝脏疾病铺平了道路，方法可以是敲除基因，也可以是更具挑战性的在DNA模板的帮助下进行基因修改。后一种方法也可以用来把肝脏变成一个工厂，制造身体其他部位所需的酶。

https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2107454

5月7日，在《Trends in Biotechnology》上，发表了一篇“CRISPR/Cas-Based Epigenome Editing: Advances, Applications, and Clinical Utility”的研究。表观基因组在真核生物的整个生命周期内动态调节基因表达并指导细胞分化。基于CRISPR / Cas的表观基因组编辑技术的最新进展，使研究人员能够对内源性DNA和组蛋白进行位点特异性的表观遗传修饰，并操纵原生染色质的结构。因此，表观基因组编辑有助于揭示表观遗传标记和基因表达之间的因果关系。随着表观基因组编辑工具的不断发展，研究人员以新的方式应用它们来探索表观基因组在人类健康和疾病中的功能。在这篇综述中，讨论了基于CRISPR/ Cas的表观基因组编辑技术的最新技术进步，这些技术已经推进了临床研究，并探讨了如何改进这些技术，以获得更大的未来效用。

https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(20)30289-4

4月9日，在《Cell》上，发表了一篇“Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing”的研究，研究人员以CRISPR系统为基础，描述了一种称为CRISPRoff的新基因编辑技术，该技术使他们可以在不改变DNA序列的情况下使某些基因“沉默”，从而以高特异性控制基因表达。CRISPRoff是一个可编程的表观遗传记忆“书写器”，主要通过促进靶位点附近的DNA甲基化来实现持久可遗传的基因转录抑制。研究人员表示“借助这项新的CRISPRoff技术，你可以编写一个程序，该程序可以被细胞无限地记住和执行。从某种意义上说，这是CRISPR-Cas9的2.0版，更安全、同样有效，并且可以完成所有的和超额的工作”。CRISPRoff甚至在CpG岛之外也具有启动可遗传基因沉默的广泛能力，扩展了基于甲基化的沉默的典范模型，并实现了多种应用，包括全基因组筛选，多重细胞工程，增强沉默和表观遗传继承的机制探索。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00353-6?

3月22日，在《Genome Biology》上，发表了一篇“Prevention of acquired sensorineural hearing loss in mice by in vivo Htra2 gene editing”的研究，这是国际上首个基于CRISPR/Cas9基因编辑用于防治获得性非遗传性感音神经性聋成功的研究，复旦大学附属眼耳鼻喉科医院李华伟教授和舒易来研究员为共同通讯作者。该研究发现，通过Htra2基因编辑可以安全有效地预防氨基糖苷类引起的耳聋，并支持CRISPR/Cas9技术在治疗非遗传性听力损失和其他非遗传性疾病方面的进一步发展。腺相关病毒(AAV)介导的CRISPR/SpCas9系统的传递可改善新霉素诱导的细胞凋亡，促进毛细胞存活，并显著改善新霉素治疗小鼠的听力功能。

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02311-4

2月4日，在《Cell Stem Cell》上，发表了一篇“Hematopoietic Stem Cell-Targeted Gene-Addition and Gene-Editing Strategies for β-hemoglobinopathies”的研究，镰状细胞病(SCD)是由明确定义的β-珠蛋白基因点突变引起的，因此是造血干细胞(HSC)基因添加/编辑治疗的最佳靶点。在HSC基因添加治疗中，治疗性β-珠蛋白基因通过慢病毒转导整合到患者HSC中，导致长期表型纠正。最先进的基因编辑技术使修复患者HSC的β-珠蛋白突变或与内源性γ-珠蛋白表达的重新激活相关的靶基因位点成为可能。由于这两种方法都显示了治疗效果的迹象，因此研究人员讨论了在这个领域当前的基因治疗、挑战和技术进展。

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(21)00001-1

1月11日，在《Nature Biotechnology》上，发表了一篇“Targeting herpes simplex virus with CRISPR–Cas9 cures herpetic stromal keratitis in mice”的研究，上海交通大学系统生物医学研究院蔡宇伽教授和复旦大学附属眼耳鼻喉科医院洪佳旭主任合作，使用新型递送技术利用CRISPR–Cas9靶向单纯疱疹病毒治愈小鼠疱疹性基质性角膜炎。为了使得基因编辑更安全，他们使用了新型的基因编辑递送技术——类病毒体-mRNA递送平台（VLP-mRNA），来递送Cas9 mRNA，在病毒性角膜炎的小鼠模型中实现了有效且安全的基因编辑。VLP-mRNA解决了AAV递送平台存在的携带能力过小的问题，且将基因编辑工具的表达载体由长期存在的DNA替换成了瞬时表达mRNA，提高了使用基因编辑工具的安全性。

https://www.nature.com/articles/s41587-020-00781-8

等等，还有很多基因编辑领域的学术文章刊登在各大期刊，以上仅举列了2021年的一小部分。基因编辑是生命医学领域的革命性技术，主要可分为ZFN技术、TALEN技术、CRISPR/Cas技术及RNA编辑技术。目前最有效的基因编辑手段是CRISPR，就像是一把可以剪辑基因的剪刀，人类可以利用这把"基因剪刀"对基因进行编辑。但也有不少人对基因编辑感到担忧，因为改变人体的遗传密码会不会像打开了潘多拉魔盒，可能会带来很多不好的影响和风险。在基因编辑技术取得一个又一个突破后，曾因一些闹得沸沸扬扬的伦理等问题而饱受争议。但可以肯定的是，未来五十年甚至更久远，基因组编辑技术依然会是科学界研究的热点。科学家和研究人员将对基因编辑进行更深入的研究，使基因编辑技术更好地发展，利用基因编辑技术进行遗传疾病防治、病毒疫苗生产、作物改良等在各个领域发挥重要作用。未来能否充分的利用这把“上帝赐予的手术刀”？仍然需要我们不断的探索。（转化医学网360zhyx.com）

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。