先前我們簡單回顧了一下CRISPR/Cas系統的發展歷史。那么基因編輯究竟在哪些方面能夠發揮它的神奇能力呢？

基于CRISPR/cas9的基因編輯工具的發展歷史

（圖片來自“Application of the CRISPR/Cas9-based gene editing technique in basic research, diagnosis, and therapy of cancer”.）

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無論是重大疾病的治療，還是農作物超級品種的培育，都是關乎人類社會未來發展的重要命題。

一、CRISPR/Cas系統在癌癥研究中的應用
癌癥的起始和進展涉及一系列基因的突變和異常表達，包括致癌基因、腫瘤抑制基因、化療耐藥基因、代謝相關基因和癌癥干細胞相關基因。癌癥治療的最終目標是通過特異性糾正突變和恢復失調基因的表達來抑制腫瘤的生長和進展。在過去的20年里，高通量測序技術發現了大量與癌癥起始和進展相關的基因?；谶@些進展，基因編輯技術有望通過調節基因表達和糾正基因突變來治療癌癥，這可能會導致精準腫瘤領域的進一步突破。
早期診斷
CRISPR/Cas9在癌癥診斷中的應用
——通過基因診斷來識別敏感基因是預防癌癥的關鍵。

研究團隊利用CRISPR/Cas9敲除致癌突變EGFR等位基因，發現肺癌細胞系H1975、A549和H1650的生長和增殖被抑制，植入H1975或A549細胞的異種移植小鼠腫瘤尺寸減小。

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靶向治療

研究表明，CRISPR/Cas9基因編輯系統是識別癌基因和評估癌基因靶向治療潛力的有效工具。

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激活抑制基因

修復失活的腫瘤抑制基因——識別并激活抑癌基因，抑制癌變通道

該研究團隊使用CRISPR/dCas9與反式激活因子VP64-p65-Rta(VPR)聯合使用，激活低水平PTEN表達的癌細胞中PTEN的表達。結果顯示，dCas9-VPR系統提高了黑色素瘤和TNBC細胞系中PTEN的表達水平，而PTEN的激活明顯抑制了下游的致癌通路。

調節癌細胞耐藥性
解決癌細胞對化療藥物的耐藥性問題
——識別化療耐藥相關基因并調節其表達水平或功能

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CRISPR/Cas9在NSCLC細胞系中敲除AURKB，也恢復了腫瘤抑制基因TP53的表達以及對順鉑和紫杉醇（兩種化療藥物）的敏感性。

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了解代謝機制
關于代謝基因——腫瘤細胞依賴于足夠的能量供應來支持增殖、遷移和侵襲，了解能量代謝機制可能為我們在癌癥治療中靶向能量產生途徑提供新的思路。

采用CRISPR/Cas9系統敲除HEp-2細胞中的HIF-1α和GLUT?1基因，導致增殖、遷移和侵襲減少。Tey發現，HIF-1α和GLUT-1基因敲除可顯著降低HEp-2細胞的葡萄糖攝取和乳酸。

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腫瘤干細胞相關基因
腫瘤干細胞(CSC)是腫瘤中自我更新的細胞，可以產生異質性腫瘤細胞，在癌癥的發生、進展、復發和治療耐藥性中發揮關鍵作用。由于CSC可能來源于癌基因的重編程和癌細胞的動態特性，因此推測CSC相關基因的鑒定將產生新的癌癥治療靶點。目前，CRISPR技術在腫瘤干細胞中的應用為臨床腫瘤治療提供了新的方向。

闡明癌癥的起因與發展
利用CRISPR/Cas9庫篩選癌細胞中的功能基因——癌細胞基因組攜帶多種遺傳變異，這些變異由先天性和后天突變積累，并由連續的克隆擴展觸發。識別驅動腫瘤進化的基因可以闡明癌癥的起始和發展。使用CRISPR進行功能基因組篩選可以揭示藥物治療后的表型變化，從而確定癌癥治療的新靶點。

癌癥建模

CRISPR/Cas9在癌癥建模中的應用
——CRISPR/Cas9能夠在體內構建具有多個基因突變的腫瘤模型，從而更好地模擬復雜的人類疾病，這種新興的建模方法可以對體內外癌癥基因進行更有效的研究。

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浙江大學平淵研究員和華東師范大學程義云教授開發了一種基于CRISPR-Cas9的基因組編輯納米藥物，并將其用于靶向APC和KRAS突變以治療結直腸癌。

2021年12月3日，廣西醫科大學趙永祥團隊發表題為“Generation of in situ CRISPR-mediated primary and metastatic cancer from monkey liver”的研究論文，該研究產生了一種原位基因編輯方法，以誘導Pten和 p53基因的有效功能喪失突變，用于在成年食蟹猴中使用CRISPR/Cas9 快速建模原發性和轉移性肝腫瘤。這有望成為一種強大而可行的工具，用于編輯疾病基因在成人NHP中建立相應的人類疾病模型，大大加快新藥的發現并節省經濟成本。

CRISPR/Cas9基因編輯工具在癌癥診斷和治療中的應用

（圖片來自“Application of the CRISPR/Cas9-based gene editing technique in basic research, diagnosis, and therapy of cancer”.）

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二、CRISPR/Cas系統在植物技術研究中的應用

通過基因組工程對植物的遺傳控制使功能基因組學的生長和作物物種的遺傳改良成為可能。目前，該系統已在世界各地的許多實驗室中使用，主要用于簡單地敲除基因，以產生所需的突變體或具有改良農業性狀的新種質材料。它對植物科學產生了革命性的影響。與其他育種技術相結合，CRISPR/Cas9將有助于培育超級品種，以滿足未來幾十年人口增長的需求。

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糧食作物：小麥

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發表刊物：《Plant Biotechnology Journal》

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標題：CRISPR/Cas9-mediated genome editing for wheat grain quality improvement

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研究團隊：山東省農業科學院作物研究所李根英研究員領銜的小麥分子育種創新團隊
研究選取了與小麥加工品質密切相關的四個基因（籽粒硬度基因pinb、淀粉品質基因waxy、面粉色澤基因psy和面團褐變基因ppo），利用農桿菌介導的CRISPR/Cas9系統對其進行精準打靶，經過多代純合和鑒定，獲得不含外源轉基因成分的基因編輯新種質，為小麥品質育種提供了新的基因資源。

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糧食作物：水稻

發表刊物：《Plant Biotechnology Journal》

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標題：Production of aromatic three-line hybrid rice using novel alleles of BADH2

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研究團隊：中國水稻研究所胡培松院士團隊
該研究通過CRISPR/Cas9基因編輯技術創制新型BADH2等位基因系，對三系雜交稻的香味改良進行了大膽實踐，為三系雜交稻香味性狀改良提供了新思路。

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糧食作物：高粱

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發表刊物：《Plant Biotechnology Journal》

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標題：CRISPR/Cas9-mediated genome editing for wheat grain quality improvement

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研究團隊：來自加州伯克利大學的Peggy G. Lemaux教授團隊
傳統的高粱轉化方法在驗證高粱功能方面存在基因型依賴和選擇、再生和世代推進時間長的障礙。本研究通過改良MAT技術，使得高粱轉化效率更高，轉化植株的時間縮短，為驗證高粱中許多未表征的基因功能提供了直接的手段。該研究找到的是一種對難以進行遺傳轉化作物的有效轉化方法，并提高了轉化效率縮短了轉化時間，加速了對廣泛生長、多用途作物的多種基因型的研究。

三、結 語
CRISPR基因編輯技術自問世以來，就以無可比擬的優勢，深刻改變了基因編輯領域乃至整個生命科學的研究模式。如今，CRISPR技術已被應用于精確基因組編輯和轉錄調控等一系列科學研究，這使得科學家能夠“隨意”操縱基因序列。
不僅如此，基于CRISPR技術的基因療法已經開始應用于臨床治療，特別是一些由基因突變引起的疾病，例如遺傳病和癌癥。
然而，一些研究卻表明，CRISPR技術存在重大的潛在風險，包括脫靶效應、染色體改變和潛在免疫原性等。脫靶效應是CRISPR/Cas9基因治療的明顯缺陷，無關的細胞吸收了CRISPR/Cas9有“大 | 麻煩”，如果將通過CRISPR/Cas9基因編輯的細胞用于治療，將會有潛在致癌性風險，要想解決潛在致癌性這個問題，或許要先解決基因編輯技術面臨的核心難題—脫靶效應。使用CRISPR-Cas9時，要重點監測癌癥相關基因突變，特別是p53基因和KRAS基因。
機遇與挑戰向來是共存的，雖然有潛在風險，但CRISPR基因編輯仍是一項蓬勃發展的革命性技術。

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參考文獻

1. Huimin Zhang,,et al(2021). Application of the CRISPR/Cas9-based gene editing technique in basic research, diagnosis, and therapy of cancer. Mol Cancer (2021) 20:126. https://doi.org/10.1186/s12943-021-01431-6

2. Li, Y., Li, W., & Li, J. (2021). The CRISPR/Cas9 Revolution continues: From base editing to prime editing in plant science. Journal of Genetics and Genomics, 48(8), 661–670. https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.05.001

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