来自麻省理工学院、Broad研究所和洛克菲勒大学的研究人员开发了一项新技术，可通过添加或删除基因精确改变活细胞的基因组。研究人员表示，这一技术有可能提供一种使用方便且廉价的方法，用于操控生物体生产生物燃料、设计动物模型研究人类疾病、开发新疗法等潜在应用。

为了创造这一新基因组编辑技术，研究人员对一组细菌蛋白进行了修饰，这些蛋白通常对病毒入侵起抵御作用。该研究小组的负责人、麻省理工学院脑与认知科学助理教授、McGovern脑研究所和Broad研究所核心成员张锋（Feng Zhang）说，利用这一系统，科学家们可以同时改变数个基因组位点，并更好地控制新基因的插入位点。“任何需要对生物体进行操控、插入新基因或修饰基因组的工作，都将由此获益，”张锋表示。

张锋及其同事在1月3日《科学》（Science）杂志上的一篇论文中详细描述了这一新技术。论文的主要作者还包括研究生Le Cong和Ann Ran。

早期的努力

上世纪80年代，科学家们通过将小片段DNA添加到小鼠胚胎干细胞中，构建出了第一个转基因小鼠。这种方法目前被广泛应用于构建研究人类疾病的转基因小鼠，然而，由于该方法是将DNA随机插入基因组，研究人员无法让新递送基因靶向替代现有基因。

近年来，科学家们一直在寻求更精确的基因组编辑方法。有一种称作同源重组的方法，通过在目的基因两侧引入与插入基因组区域相匹配的序列，将一段DNA片段导入受体细胞基因组。然而，由于自然重组过程在正常细胞中不常发生，这一技术的成功率很低。

最近，生物学家们发现，通过添加一种切割DNA的核酸酶可以提高这一过程的效率。锌指核酸酶通常用于将核酸酶递送到特定位点，但由于锌指酶无法靶向每一种可能的DNA序列，限制了它们的应用。此外，组装这些蛋白也是一个费时且昂贵的过程。

称作转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）的复合物也可用于在特异位点切割基因组，但这些复合物同样昂贵且难以组装。

精确靶向

张锋表示，新系统更加容易使用。利用自然生成的细菌蛋白质-RNA系统识别和剪断病毒DNA，研究人员能够生成一些DNA编辑复合物，复合物中包含有结合短RNA序列的Cas9核酸酶。这些序列设计靶向基因组中的特异位点；当它们遇到匹配序列时，Cas9就会切割DNA。

这种方法可用于破坏某一基因的功能，或用新基因替代它。为了实现基因替代，研究人员还必须添加一个新基因的DNA模板，以便在DNA切割后将其拷贝到基因组中。

每个RNA片段都可以靶向不同的序列。“其妙处在于——你可以轻易地指定一种核酸酶靶向基因组中一个或更多的位点，”张锋说。

这种方法也非常精密，哪怕RNA靶向序列和基因组序列之间存在一个碱基对差异，Cas9都不会激活。这是不同于锌指酶或TALEN之处。新系统相比TALEN似乎更有效，且更为廉价。

新系统是“基因组编辑领域的一个重大进展，在第一阶段其似乎已经与锌指核酸酶及TALENs效率相当，”威斯康星医学院生理学副教授Aron Geurts说：“解密日益增加的、与人类健康及疾病相关的遗传变异数据，需要在模型系统中利用这类可扩展的精确基因组编辑技术。”

研究小组已经将必需的遗传元件交给非盈利组织Addgene保管，确保想利用这一系统的其他研究人员能够广泛获取这些元件。研究人员还建立了一个网站，提供建议及使用这一技术的工具。

设计新疗法

在其他可能的应用中，这一系统还可能用于设计新疗法，治疗由单个遗传变异引起的疾病，如亨廷顿氏舞蹈病。当前正在开展的临床实验是利用锌指核酸酶来破坏基因，新技术有可能提供一种更有效的替代方法。

这一系统或许还可用于治疗HIV，从患者处获取淋巴细胞，突变其CCR5受体，然后再将细胞回输到患者体内，这样的细胞将能够抵御感染。

通过在人类干细胞中诱导特异突变，这种方法也可以使研究人类疾病变得更为容易。“利用这一基因编辑系统，你可以非常系统地引入单个突变，使干细胞分化为神经元或心肌细胞，观察这些突变对细胞生物学的改变，”张锋说。

在《科学》新研究中，研究人员在实验室培养的细胞中测试了这一系统，他们还计划将这一新技术应用于研究脑功能和疾病。