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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，这一技术有望提供一种使用方便且廉价的工具，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。

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，这些蛋白通常用于抵御病毒入侵。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多个基因组位点，并更好地控制新基因的插入位置。“任何需要对生物体进行操控、插入新基因或修饰基因组的研究，都将从中受益，”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，构建出第一个转基因小鼠。这种方法目前广泛应用于构建研究人类疾病的转基因小鼠，但由于DNA随机插入基因组，研究人员无法让新递送的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。同源重组技术通过在目的基因两侧引入与插入基因组区域匹配的序列，将DNA片段导入受体细胞基因组。然而，自然重组过程在正常细胞中不常发生，因此成功率很低。

最近，生物学家发现，通过添加切割DNA的核酸酶可提高效率。锌指核酸酶常用于将核酸酶递送到特定位点，但由于无法靶向所有可能的DNA序列，其应用受限。此外，组装这些蛋白既费力又昂贵。

转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）也可在特异位点切割基因组，但同样昂贵且难以组装。

精确靶向

张锋表示，新系统更易使用。利用自然生成的细菌蛋白质-RNA系统识别和剪断病毒DNA，研究人员生成了包含结合短RNA序列的Cas9核酸酶的DNA编辑复合物。这些序列设计靶向基因组中的特异位点；当遇到匹配序列时，Cas9切割DNA。

该方法可用于破坏基因功能或用新基因替代。为实现基因替代，研究人员还需添加新基因的DNA模板，以便在DNA切割后将其拷贝到基因组中。

每个RNA片段可靶向不同序列。“其妙处在于——你可以轻易指定一种核酸酶靶向基因组中一个或多个位点，”张锋说。

该方法非常精密，即使RNA靶向序列与基因组序列存在一个碱基对差异，Cas9也不会激活。这与锌指酶或TALEN不同。新系统比TALEN更有效且更廉价。

新系统是“基因组编辑领域的重大进展，第一阶段其效率已与锌指核酸酶及TALENs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。”

研究小组已将必需的遗传元件交给非盈利组织Addgene保管，确保其他研究人员能广泛获取。他们还建立了网站，提供建议和使用工具。

设计新疗法

在其他可能应用中，该系统可用于设计新疗法，治疗由单个遗传变异引起的疾病，如亨廷顿舞蹈病。当前临床实验利用锌指核酸酶破坏基因，新技术可能提供更有效的替代方法。

该系统或许还可用于治疗HIV：从患者获取淋巴细胞，突变其CCR5受体，再回输细胞，使其抵御感染。

通过在人类干细胞中诱导特异突变，该方法可简化人类疾病研究。“利用这一基因编辑系统，你可以系统引入单个突变，使干细胞分化为神经元或心肌细胞，观察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该系统，并计划将其应用于研究脑功能和疾病。