2025年5月15日，美國《新英格蘭醫學雜志》刊登了全球首例通過定制CRISPR基因編輯療法治療嬰兒罕見病的報道。該則報道標志著基因編輯技術向個性化醫療邁進的重要一步，也為未來多種罕見病的治愈帶來了新的希望。
基因編輯（Gene Editing），是指使用基因編輯技術對生物體基因組的特定序列進行修飾的過程，通過高效而精準的插入、缺失或替換基因序列，從而改變其遺傳信息和表現型特征。作為人類21世紀最偉大的生物醫學突破之一，其發展也經歷坎坷曲折，才最終形成如今能進行個性化醫療的局面。如果你想要了解基因編輯技術發展簡史，就跟著我們一起走進基因編輯的世界吧！本期開始，我們將全面解析基因編輯技術的演進與實驗設計方法，干貨滿滿，助你科研路上少走彎路！
第一代基因編輯技術 ZFNs
鋅指核酸酶技術（Zinc-finger nucleases, ZFNs），起源于1984年Aaron Klug實驗室進行非洲爪蟾卵母細胞轉錄因子IIIA的研究中發現，因其為鋅配位的手指狀結構而得名鋅指蛋白。在1996年，Dana Carroll和Carl Pabo等人合作，首次將鋅指DNA結合結構域和FokI核酸酶的切割結構域結合，開發出具有序列特異性切割能力的ZFN。這項研究被認為是ZFN技術的正式創立。
Cys2His2鋅指蛋白的鋅手指結構圖
（來自作者Thomas Splettstoesser）
ZFN由三個鋅指蛋白單元和一個非特異性FokI核酸內切酶組成。其原理是通過每一個“鋅指”可以識別特定的3個堿基，而多個鋅指連接在一起可以識別更長的特定DNA序列而實現（通常3–6個鋅指識別9–18個堿基）。當兩個ZFN分別與目標基因兩條鏈上間隔5-7bp的靶序列結合后，FoKI形成二聚體，進而激活FokI核酸內切酶的剪切結構域，斷裂DNA雙鏈，從而使目標基因喪失作用。
ZFNs原理圖
（來自Matthew H Porteus and Dana Carroll, 2005）
該技術在2002年被來自美國猶他大學Dana Carroll實驗室率先證明，即可以利用鋅指蛋白+核酸酶的組合破壞果蠅體內的基因。之后更是成功應用于斑馬魚、大鼠、小鼠等動物的遺傳研究，并于2005年首次實現了對人類細胞基因的定點修飾。然而其需要篩選特定的鋅指蛋白與靶基因識別，耗時長，成本極高，基因脫靶率高，且具有一點的細胞毒性，再加上Sangamo公司對于專利技術的鎖定，因此該技術自發現以來并未得到大規模的應用。
第二代基因編輯技術 TALENs
轉錄激活效應因子樣核酸酶技術（Transcription Activator-Like Effector Nucleases, TALENs）的核心基礎是植物病原菌黃單胞菌（Xanthomonas）分泌的TAL效應蛋白（TAL effectors）。TALE蛋白在1989年被科學家從Xanthomonas中分離。2007年，Kay等人發現Xanthomonas致病菌可以將合成的TALE蛋白（AvrBs3）注入宿主細胞內，進一步研究發現這類蛋白能夠特異性識別宿主DNA序列，幫助細菌調控植物基因表達。
在2009年更是取得重大突破，Boch和Moscou等人破解了TALE蛋白識別DNA的規則。即每個TALE蛋白的34個高度保守的氨基酸序列中，第12和13位氨基酸（又稱為重變異雙殘基（RVDs））識別一個特定堿基（如NI識別A、HD識別C、NG識別T、NN識別G）。因此就可以設計一串的TALEs以結合任意一段序列，將其與核酸內切酶結合，即可準確的讀取基因序列并切斷目標位點。
利用TALEN蛋白進行基因敲除的原理[1]
2011年，李偉團隊和Mahfouz團隊幾乎同時獨立報道了TALENs技術的首次成功應用，他們分別將天然TALE蛋白（AvrBs3）C’端的轉錄激活子替換為FokI核酸酶，在斑馬魚和擬南芥上取得良好的成果。之后陸續成功應用于水蚤、鼠、牛等物種的遺傳研究，并實現了基因組定點突變。TALENs技術相比于ZFNs技術整體變得更為簡單，改善了ZFNs技術易脫靶的問題，已經被全球范圍內各實驗室使用。但依舊存在一定的細胞毒性，以及模塊組裝過程繁瑣等問題，無法作為通用性技術，因此科學家還在探索更通用、高效的基因編輯技術。
以上就是第一代和第二代基因編輯技術的發展歷程，與此同時，還有一種新興的技術正在悄然崛起，于2012年驚艷世人——CRISPR/Cas9第三代基因編輯技術。那么第三代技術的起源、發展歷程又是怎么樣的呢？下期近岸蛋白將帶領你繼續探索基因編輯的世界！接下來我們將陸續給大家帶來基因編輯詳細的技術介紹、解決方案以及試劑支持，敬請關注，下期不見不散~
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近岸蛋白的T7 Endonuclease I（Cat.No.:M017）能有效檢測ZFNs、TALENs、CRISPR/Cas9等基因編輯之后形成的突變體，識別切割效率高，是基因編輯檢測的不二之選！
圖例：T7E1法檢測突變體。泳道1：野生型條帶700bp；泳道2：突變型條帶700bp；泳道3：野生型條帶與突變型條帶退火，產生T7EI切割條帶300bp+400bp。
參考文獻
[1]張金脈,任兆瑞. TALENs:一種新的基因定點修飾技術 [J]. 生命科學, 2013, 25 (01): 126-132. DOI:10.13376/j.cbls/2013.01.021.