人类从远古时代起,就一直在进行着品种改良工作,把可食用的植物驯化成作物,把野生动物驯化成家畜,通过这个过程不断强化对人类有利的特征。驯化除了需要严密规划动植物的交配,还依赖大量自然突变形成丰富的基因库。随着育种技术的发展,人类已经知晓了许多决定特定性状的基因位置和功能,但是现代品种改良的思路却并未发生本质的改变——只能依靠自然突变或利用辐射和化学物质进行人工诱变。

要赋予物种一种新性状,并不只有依赖自然突变或人工诱变这一条路,还可以利用基因重组技术引入新基因。所谓基因重组,指的是从某个生物中获取有用性状的基因,组合到其他生物的基因组里,让其获得新的性状。简而言之,基因重组技术是一种能能跨越生物种属插入新基因的技术。基因重组现象在自然界已然存在。如果一个细菌进入一个新环境,它可能会遇到其他已经适应那个环境的细菌。细菌“新人”可以从细菌“老人”那里获取有用的基因,从而缩短自身适应新环境所需的时间。细菌原则上可以从所有细菌共享的一个通用基因库中吸收新基因,这种“剽窃“的能力使细菌获得了巨大的演化灵活性。但是由于生殖隔离的存在,一般动植物无法剽窃其他物种的新基因。于是我们利用细菌的重组元件作为载体实现了跨物种的基因重组,这项技术对医药的发展有着无与伦比的影响,比如治疗糖尿病的药物胰岛素最初只能从猪等动物的心脏内提取,在采用了基因重组技术之后,将人胰岛素的基因重组到大肠杆菌或酵母的基因中就能大规模制造出人胰岛素。

当基因重组技术应用于植物的品种改良,也就是所谓的转基因作物。比如抗除草剂抗的大豆以及抗虫玉米,便是将来自细菌的抗除草剂和抗虫基因重组到农作物的基因组中。在操作基因重组技术时,我们得搞清楚目标基因插到哪里,想要往细胞中插入新基因,很可能受到受体基因偏爱影响,并不是随机插入,可能无法瞄准插入点插到错误的地方,甚至多插了好几个拷贝,整个过程不可控,只能大量重复插入操作,经过成千上万次尝试,从中挑选出恰巧符合预期的插入结果。这意味着基因重组仍然依赖于偶然性,必须耗费漫长的时间和大量的劳动力进行筛选。这也是为什么转基因不能一概而论,每一个转基因事件都是独立的,每一个转基因产品也是独一无二的。不管是美国,还是在欧洲和日本,转基因作物的风险评估也是遵循个案分析原则。在这个前提下, 任何一个转基因品种想要获得审批,不管是从食用角度,还是从生态环境角度,都必须经历严格的审查。即便只是在研发阶段,也需要在室外进行大范围栽培实验,研究者必须对周围环境中的植物进行调查,确保不存在能够与其杂交的植物,获得政府批准后才能进行。对企业而言,这项工作需要付出大量的人力和财力,一旦成本过高,转基因作物的研发便失去了价值。

然而在进行品种改良时,就算采用了突变原和基因重组技术,时间成本仍是个大问题。比如我们要利用突变原破坏某个特定基因,让它无法起作用,在这种情况下,如果单纯只使用突变原,在数量上万的庞大突变基因之中,我们根本无法预测遭到破坏的会是哪个部分的基因,想要破坏目标基因,只能依靠偶然,而且在绝大多数情况下,遭到破坏的都是非目标基因,所以研究者们只能不断重复相同的实验。

基因编辑并不是一个全新的概念,在CRISPR/Cas 9的出现之前,第一代ZFN(锌指核酸酶,Zinc Finger Nuclease)和第二代是TALEN(transcription activator like effector nuclease,转录激活因子样效应物核酸酶)基因编辑技术都是使用蛋白质作为向导,但操作繁琐复杂,而且缺乏普适性,导致这项技术并没有火出学术圈。正是得益于CRISPR/Cas 9的出现,基因编辑才获得了全球性的普及。这项技术源自细菌的防御病毒入侵的机制,细菌之中存在一种名为CRISPR的DNA序列,该序列会在对抗病毒感染时发挥作用。然而,科学家尚不清楚其具体的作用机制。CRISPR包含某种颇具特征的重复序列,其中容纳有病毒的部分DNA,这是过去曾感染过的病毒的基因片段,当再次遭受到同种病毒的感染时,细菌就能识别该序列,利用一种名为Cas 9的酶,将病毒的DNA切断以防止感染。两人的研究组在CRISPR和Cas 9的现有功能的基础上,对其进行了改进,并将其当作人工切断目标DNA序列的工具。博劳德研究所张锋博士的研究组随即也投入了对CRISPR/Cas 9的应用和改良工作中,确认了CRISPR/Cas 9亦可应用于人类和动物细胞,并对其进行了进一步改良,充分展示了它在技术层面的巨大潜力和通用性。而且第三代CRISPR/Cas 9抛弃了蛋白质,利用RNA识别序列,只需要准备RNA和Cas 9就足够了,因此操作过程与以往相比简单了许多。自此,CRISPR/Cas 9的应用才算是真正开始了。

然而该技术也存在尚未解决的问题。基因组编辑在理论上应该以目标基因为靶点,但严格说起来,并非所有情况下都能做到只瞄准单一基因,会发生脱靶效应 (off target effects)。一旦除目标基因之外的其他基因被编辑,则有可能产生无法预料的影响。当该技术被应用到医疗领域的时候,或是食品安全问题的时候,脱靶效应将会成为无法回避的问题。

基因编辑技术在植物品种改良领域蕴藏着巨大的发展潜力,通过这一技术带来的品种改良的可靠性和速度获得数量级的提高。以番茄为例,番茄果实变大经历了从醋栗番茄到樱桃番茄再到现代栽培番茄的两次驯化过程,在此过程中分别有5 个和13 个影响果实重量的基因受到了人类的定向选择。番茄果实从小到大的驯化过程经历了上千年,才积累了18个突变。利用CRISPR/Cas 9系统,通过一次设计,创造出来的突变比过去数十万年产生的突变还要多,而且变异更丰富。

番茄果实大小上的突破显示出了CRISPR/Cas 9基因编辑技术的强大力量。于是有人提出了一个更疯狂的想法——重新驯化番茄。直接对野生番茄多个驯化相关的基因同时进行CRISPR/Cas9编辑,可以在单个转化实验中同时改变番茄的产量、果实大小、形状、营养成分和植物形态[2,3],跨越了数千年的番茄驯化历史在转瞬间就能完成。

由于基因重组或多或少会有基因片段被随机插入在基因组的某个地方,总会留下痕迹,只要仔细检测就可以分辨出是否为基因重组生物。但基因组编辑却只精确破坏目标基因,并且连向导RNA和Cas 9也会被选择掉,不会留下任何痕迹,即使进行全基因组检测,也无法区分它到底是基因编辑的产物,还是自然突变。这也是最令人兴奋的一点。现在人们对于转基因作物的抵制大部分是担心转基因过程会对目标基因以外的部分造成不可预知的改变,这种不安的因素在基因编辑作物中便不复存在。因此,基因编辑作物不应该归为传统的转基因作物。而是一种特殊的人工诱变。

如果将我们所积累的其它作物驯化相关的基因知识与基因组编辑技术相结合,就能创造出有用的品种,而这种品种改良的速度是如此之快,以往的任何方法都无法与之相比。可以说基因编辑技术的成熟应用将会彻底改变传统农业的育种模式。

参考资料

[1] Rodriguez-Leal D, Lemmon Z H, Man J, Bartlett M E, Lippman Z B. Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing. Cell, 2017.

[2] Li T, Yang X, Yu Y, Si X, Zhai X, Zhang H, Dong W, Gao C, Xu C. Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat Biotechnol, 2018.

[3] Zsögön A, Čermák T, Naves E R, Notini M M, Edel K H, Weinl S, Freschi L, Voytas D F, Kudla J, Peres L E P. De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nat Biotechnol, 2018.

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:落痕无声

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