文/陈根
我们知道，生物的性状（形态特征和生理、生化特性）由基因决定，受环境影响。基因是染色体上具有遗传效应的DNA片段，DNA片段中的遗传信息蕴含在DNA链上的A、T、C、G四种碱基上。此外，基因的表达遵从中心法则，从DNA转录得到mRNA，mRNA翻译得到蛋白质，蛋白质直接体现性状。转录遵循碱基互补配对原则，翻译时三个碱基是一个密码子，决定一个氨基酸。
那么，生物表现出的种种性状，最终还是由染色体上的DNA序列决定的。因此，DNA序列中的一些变化（插入、缺失、替换等）就可能造成表型的变化，引发代谢障碍，甚至引发疾病。
据统计，目前已发现有75000种突变与人类疾病相关，其中最常见的是单个碱基的点突变。例如为人熟知的镰状细胞贫血症，就是A到T的点突变；囊性纤维化最常见的病因是3个碱基的缺失，而Tay-Sachs症最常见的病因是插入了4个DNA字母。
生命科学发展的内在需求推动着技术的进步与发展，为了真正解决致病原因，我们也迎来了基因编辑的登场。
基因编辑技术驶入快车道
基因编辑在近几年的快速发展，得益于CRISPR技术的突破。六年前，包括Emmanuelle Charpentier博士、George Church博士、Jennifer Doudna博士和张锋博士在内的几位基因编辑先驱向世界展示了CRISPR基因编辑技术的巨大潜力。
CRISPR这把基因编辑剪刀最令人惊艳的是可接收人类编程指令，只搜索、绑定和剪切特定的DNA序列，这其中也包括人类的基因组序列。因为高效、便捷、适用范围广，CRISPR技术的突破使得基因组编辑的发展进入快车道，这也让全球科学家、医生和患者感觉到了基因编辑发展的巨大可能。
而面对世界上的数百种疾病，要治疗它们，科学家们只需要把基因恢复到野生型的状态，没有必要去做基因敲除。例如，如果要通过直接纠正血红蛋白突变来治疗镰状细胞贫血症患者，不能简单地切断血红蛋白基因，这会导致进一步的破坏。最好的方式，是能够修复基因突变。于是，在科研人员长期探索下，一种名为“单碱基编辑法”的全新基因编辑方法诞生了。
简单来说，如果CRISPR-Cas9技术是基因组的“剪刀”，那么单碱基编辑方法就是“铅笔和橡皮”，可以擦除并重写基因中的一个字母。这种技术无需使DNA断裂，就能完成基因的精准编辑。单碱基基因编辑开启了精准基因编辑的大门，也被《科学》杂志评选为2017年年度突破之一。
虽然已经向精准基因编辑迈了一大步，但是单碱基编辑法依然有很大的发展空间。单碱基编辑能够对点突变进行“微调”，但却不适合修改大段的基因。此外，将一个碱基更改为另一个碱基的方法有12种，而这套单碱基编辑方案只能进行4种修改（比如不能把T变成A）。
尽管单碱基编辑法依旧具有许多技术难点和技术局限，但这并不能否定单碱基编辑对于碱基编辑的意义重大。通过利用单碱基基因编辑工具CBEs与ABEs中的相关元件重新设计整合，研究人员们构建成了同时能进行两个邻近碱基CA→TG置换的双碱基基因编辑工具。
近日，Nature Biotechnology(NBT)杂志连续推出4篇双碱基基因编辑技术的相关研究论文，其中两篇分别由中科院遗传发育所的高彩霞课题组与华东师范大学李大力课题组完成。这4篇论文中开发的双碱基基因编辑工具具有相似的结构，能对临近的CA碱基同时进行CA→TG的碱基替换，实现双碱基基因编辑，且该工具有较好的安全性，对人类遗传疾病的治疗及动植物基因编辑、遗传育种等都具有较高的应用价值。
这四篇论文的连续发表充分表明，碱基基因编辑技术是目前基因编辑领域的热点，也说明了碱基编辑工具在未来将得到更进一步发展与完善，并更好地为科研与临床应用服务。
基因编辑的技术手段
随着科研的深入，基因编辑技术也在不断发展。
人们最熟悉的可能就是CRISPR-Cas基因编辑系统，也叫“成簇排列的有规律间隔的短回文重复序列”。CRISPR-Cas系统作为细菌的获得性免疫，用于抵御噬菌体入侵。这一系统通过使用向导RNA（guideRNA），让Cas酶能够识别基因组中的特定序列，从而对DNA或RNA序列进行精准的切割。
当然，基因编辑工具并不只有CRISPR。Cre-lox介导的基因组能够进行定位重组，Cre-lox重组技术源自大肠杆菌的P1噬菌体，目前被广泛用于特异位点的基因服除、插入、叫转和基因易位。利用基因水平对生物体进行定向遗传改造，特别是在小鼠转基因中，能提供复杂的基因表达时空控制。
Cre-lox重组技木简约高效、特异性强、应用广泛，且具有可控的时空特异性。现已成功用于功能基因的激活、转基因的筛选、基因的定点整合等。但是其缺点是只能在固定位置插入或删除基因，不能实现对基因组中任意基因的编辑，因此操作会受限。
锌指核酸内切酶（Zincfigernucleases）能够定向修饰靶基因，锌指核酸内切酶(ZFNs）是人工设计的含有两个功能结构域的蛋白核酸内切酶，包括FokI切割结构域和重复锌指结构组成的DNA识别结构域。每一个锌指结构可以特异地识别3个核酸，6个锌指结构就可以特异地识别18个核酸，从而决定了识别位点的特异性。
锌指酶基因修饰定向高效、定点精确，可以在基因组范围内实现定点敲入或敲除。缺点是锌指酶识别的目标序列长度是一定的，所以某些基因包括一些小基因和同源性高的基因，不可以被敲除，大片段基因难以通过锌指酶技术敲入。此外，锌指酶具有一定的潜在脱靶效应。另外由于ZFN的合成时间长，装配过程非模块化，其实用性也受到了限制。但Sangamo公司在开发基于锌指核酸酶的基因编辑系统方面已经积累了很多经验。
除了以上三种，还有类转录激活因子效应物核酸酶(transcription，activator-like，effector，nuclease）能够定向修饰靶基因。
类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs）由来自植物病原菌黄单孢菌的类转录激活因子效应因子TALEs和核酸内切酶以及FokI的催化区域融合而成。高度保守的33~35个氨基酸TALEs重复组件决定了TALEs结合DNA的识别特异性。TALENs，性质与锌指核酸内切酶相似，可识别特异的DNA序列。若将其剪切形成双链缺口，通过同源修复或非同源末端连接修复，将会造成基因括入或缺失。
TALENs，于2011年首次报道，代表了基因组工程的巨大进步。一位经验丰富的科学家六周才能制作ZFN，但新手可以在短短几天内制作一个TALEN。TALENs的可定制DNA结合特性还使得定制转录因子的设计能够调节基因表达。
技术与伦理的平衡点
尽管基因编辑一直是医学界的研究热点，但在早些年并不被普遍知晓。直到2018 年 11 月，一则轰动全球科学界的核弹级新闻被报导出来——“中国南方科技大学教授贺建奎使用了基因编辑技术，让一对艾滋病免疫的双胞胎婴儿成功出生”。研究人员正是使用可以剪贴DNA的基因编辑CRISPR ／ Cas9 技术，成功在胚胎阶段完成DNA 定制化的婴儿，使得“定制婴儿”成功诞生。
这则新闻也引起了世界的轩然大波，甚至引导了全球的批评声浪，“基因编辑”由此出圈。
已故的著名科学家霍金曾经在上世纪预言过，“人们因为经济因素，研发出基改植物和动物。在未来，会有基因改造的‘超级人类’诞生。”
“定制婴儿”虽然在现实中是首度出现，但基因编辑技术改造人类在电影中早已成为一个常见的题材。这种取代神的角色、挑战道德的界线、疯狂科学家的失控基因改造实验，一直是人们内心深处的不安所在，也因此总是成为电影的最佳题材。
基因编辑的技术发展和传统伦理这些年也经历了不断拉扯的过程。面对“扮演上帝”这样的诱惑，并不是所有人都可以视而不见的。更何况，哪个人或是哪个国家先掌握了这项技术，或许就等于掌握了未来。
美国前任总统小布什曾禁止胚胎干细胞研究长达8年之久，然而奥巴马政府却取消了对胚胎干细胞研究的禁令；2016 年英国人工授精暨胚胎管理局批准一项有关人类胚胎基因编辑的研究申请，允许科学家以治疗为目的复制人类胚胎；2011 年，中国科学家取人体基因植入乳牛的细胞，再借助复制技术，把经过基因改造的细胞胚胎，植入母牛体内，生产类似母乳成份的牛奶，并计划于十年内大量推向市场。
各种游走在伦理边缘的实验，挑战着人们对新技术的接受底线。美国的Josiah Zayner原本是太空总署（NASA）的生物学家，之后“转行”成为致力于让生物科技平民化的生物黑客。后来，他使用CRISPR-Cas9对自己进行基因改造。他自行设计了一套基因疗法，以针剂注射方式剔除肌肉生成抑制素基因，希望增强自己前左臂肌肉，并且整个过程由网络直播。
人类已经来到了可以决定生命进化的临界点，问题在于人类是否能带着责任心去使用这个可以帮助自己的新力量。即使出现了定制婴儿，在面临巨大的伦理挑战的情况下，我们也不得不承认，这项技术的潜力依然非常庞大，因为它可以治疗癌症、不治之症以及那些长期危害人类生命的疾病，它是能带来希望的技术。
考虑到科技的飞速发展，或许基因编辑会比我们想象地更快在医疗前线占有一席之地。但在此之前，在法律、制度与伦理的问题上，社会还需要有一个良性的平衡。而政府、企业和个人也需要提前思考该怎么准备，才能从容面对由这些变化所带来的未来社会。
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