基因可以编辑的时候，能给人类带来什么？

编者按：小小的基因背后隐藏着人类身体的无限奥秘，随着科学技术的发展，我们逐渐了解到基因在人类遗传中的重要作用。

那么，有基因缺陷的人能通过修改基因使下一代健康吗？ 基因编辑技术是什么？ 本文带你探索基因编辑的奥秘。

“世界上没有完全相同的两片树叶，也没有完全相同的两个人。

”这句话是德国哲学家戈特弗里德威廉莱布尼茨的话。

有人是卷发，也有人是直发； 既有蓝眼睛的人，也有棕色眼睛的人； 出生后，为什么大家都不一样？ 答案来自基因。

基因是遗传物质，也就是携带遗传信息的DNA (脱氧核糖核酸)的片段。

DNA是腺嘌呤( a )、鸟嘌呤( g )、胞嘧啶(胸腺嘧啶)、胸腺嘧啶) 4种碱基以2比2组形成的双螺旋结构，在我们体内转录为RNA )。 RNA被翻译成蛋白质，蛋白质进一步加工后会发挥各自的作用。

我们每个人从父母那里得到的遗传物质不同，所以成长也各不相同。

DNA双螺旋结构的图像(照片来自网) ) )。

基因不仅决定着我们的脸，自然界的各种生命现象，如水母发光、珊瑚虫颜色鲜艳、树叶形状各异等，也离不开基因的调控。

那么，如果获得让水母发光的基因，不是也能让别的生物发光吗？

答案是肯定的。

水母发光是因为体内有表达发光蛋白质的基因。 我们通过一定的手段获得这个基因，并将其放入另一个生物的体内，这个生物就可以发光。

这个过程需要基因编辑。

该技术不仅能使机体发光，还能标记不同细胞、不同器官、不同神经元，表达不同颜色的光。

如下图所示，细胞发绿光是因为水母来源的绿色荧光蛋白中插入了可以翻译的GFP基因，线虫发红光是因为插入了珊瑚虫来源的mCherry基因。

这些基因在细胞和线虫体内进行转录和翻译，行使它们的功能，使细胞和线虫能够发光。

发光的细胞，线虫(照片来自互联网) )。

基因编辑的方式有很多，传统的基因编辑方式有锌指核酸内切酶( ZFNs )、转录激活因子样效应物核酸酶( TALENs )、转座子、小干扰RNA )等。

作为近年来科研中使用的主要基因编辑技术，“CRISPR”正在悄然进入我们的生活。

CRISPR的全称是clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats (聚类的规则间隔短的回文重复序列)，该序列需要与其一起作用的蛋白质，将其cacalindromicrepeats

(照片来自网络)

CRISPR/Cas系统需要三个步骤才能正常工作。 首先，当入侵者首次入侵时，CRISPR系统会捕获入侵者的基因序列并将其作为身份证，以便识别。 然后，Cas1/Cas2将此捕获序列合并到CRISPR重复序列之间。 这个序列用于识别id。 最后，该序列经过转录生成具有身份和诱导功能的crisprRNA(crrna )，可以找到目标入侵者的DNA序列，与其互补识别激活Cas9蛋白，使入侵者的DNA双链断裂，丧失功能

那么，既然是用一系列的序列来识别，可能就有“认错人”了。

在大多数情况下，Cas9也显示出很高的脱覆盖率。 也就是说，在不能切的地方，随便递刀。

因此，研究如何降低Cas9覆盖率也是目前科学研究中的热点。

当然，不仅是切断DNA的蛋白质，还有切断RNA的蛋白质。

近年来，一种称为Cas13的VI Cas蛋白质刚被发现，它们是RNA的一种蛋白质。

原理与Cas9相似，均通过识别身份的序列诱导蛋白质进行切割和编辑。

那么，这种蛋白质只是切断了DNA，如何插入想表达的片段呢？ 是不是有这样的疑问？

可以看到上面的图。 上面的双线可以看作是我们接下来要改造的DNA。 下面的环状物是我们改造的工具载体。 载体中间的红色块代表了我们试图摄取的基因。 它的两侧有两个与改造DNA完全相同的序列(红蓝线)，被称为同源臂。

将Cas9与工具载体一起导入细胞或注射受精卵后，Cas9首先在特定位置切割DNA (在绿色标记处)，形成DNA双链断裂( DSB )。

随后，也截取了载体与同源臂相连的部分，发现目的基因两端红蓝同源臂和改造DNA相互识别，他们竟然是一样的！ 那样的东西当然可以互补成对地联系在一起。

在这样修复DNA断裂的同时，将目的基因整合到基因组中。

当然，这种编辑方法并不是100%成功的，有很多因素影响基因整合的效率，包括细胞和受精卵的状态、分裂时期和许多其他未知因素。

因此，为了确保万无一失，在进行科学研究时，要同时注射几十个受精卵，待其成熟后进行鉴定，然后选择基因编辑成功的个体进行后续研究。

利用基因编辑，不仅可以表达外源基因，有时还可以修复单个碱基变异的基因，用于某些疾病的治疗。

许多疾病由基因单核苷酸变异引起，如铁潴留症的遗传性血色病、阿尔茨海默病和乳腺癌。

碱基编辑通过失活的CAS9(DCAS9 )融合其他蛋白质发挥作用。

主要利用CRISPR/Cas的定位功能，将特定的单核苷酸可编辑蛋白酶带到需要修复的位置，即可完成CRISPR/Cas任务，其余交给特定功能的蛋白酶进行必要的编辑。

说了这么多，也可以看出基因编辑并不是万无一失的，其研究还有很长的路要走。

你可能觉得很远，但在不久的将来，许多与基因相关的疾病也许可以克服。

在科学技术发展日新月异的今天，科学家们已经把无数的不可能变为可能，把许多未知写成知识，不断探索生物体的无限奥秘。

出品：科普中国

作者：刘宇慧同济大学生物学正在读博士

监制：中国农会光明科普事业部