基因“剪刀”如何利用数十亿美元的市场？

在2017年十大科学突破中，“精确定位的基因编辑器”榜上有名。研究人员已经修改了基因编辑工具，以实现“点对点”修改，这使得基因“剪刀”有可能在未来撬动更大的市场。

核酸酶的“显微图像”柔软，大约10纳米大小，更像一团“棉花糖”。百科全书对它的介绍如下:它的发现和采用使“编辑”基因成为可能，包括插入、删除、融合和其他操作。它的内部被分成多个区域，一些区域管道被“定位”，一些区域管道被“切割”

美国一家知名咨询公司最近发布报告称，全球基因组编辑(包括CRISPR、TALEN和ZFN)的市场规模将从2017年的31.9亿美元增至2022年的62.8亿美元，复合年增长率为14.5%。

工业市场的“全面繁荣”只是其中的一部分，基因编辑行业仍在“点”方面取得突破。在美国杂志《科学》最近公布的2017年十大科学突破中，“精确定位的基因编辑”榜上有名。研究人员已经修改了基因编辑工具，以实现“点对点”修改，这使得基因“剪刀”有可能在未来撬动更大的市场。

这三种方法都有各自的优点。

“蘑菇有释放孢子的‘习惯’。之后，采摘的蘑菇会变黑，在市场上卖不出去。”清华大学合成与系统生物学研究中心的研究员谢榛明确表示如何保持黑暗。通过剔除诱导这种“习惯”的基因，如果生物活动受阻，它不会变黑，从而延长保质期。"

人们希望通过基因编辑来“美化”一些大自然的“拙劣作品”。

现有的三种基因编辑技术ZFN、TALEN和CRISPR如何编辑基因并改变生物活性？“ZFN和TALEN技术可以被视为一个类别。他们通过外源蛋白进入细胞后发现DNA序列。”谢榛说，“CRISPR技术的‘核心功能组件’是不同的，一部分是核糖核酸序列，另一部分是蛋白质。”

要完成编辑工作，它们的结构和功能非常相似。这三项技术所依赖的“核心成分”必须具有“定位”和“剪切”功能:ZFN技术中的蛋白质被称为锌指核酸酶，之所以这样命名，是因为它的三维结构类似于中间有锌离子的人的手指。TALEN技术中的蛋白质被称为转录激活因子样效应核酸酶。

两种核酸酶都有区隔，即特异性识别序列的DNA结合域和进行非特异性切割的DNA切割域。

在CRISPR技术中，特定的DNA序列的鉴定是通过“导向核糖核酸”的协调来完成的，而不是仅通过蛋白质来完成的，并且DNA切割仍然是通过蛋白质来完成的。

“不同的酶使得这项技术的复杂性和应用范围不同，”谢榛说。例如，在“一拖多”的基因编辑工作中，即同时编辑多个基因的任务中，CRISPR是最容易做的，TALEN更难，ZFN很难。

三个编辑工具的构造非常复杂。尽管CRISPR相对简单，但许多研究团队仍然希望这个工具能够“按原样使用”。

为此，一个专门的研究小组将把酶成分转化成“模块”，并根据需要“组装”它们，以获得编辑工具来识别特定的DNA序列。例如，通过研究人员的长期努力，识别每个三碱基的64个锌指组合中的大多数已经被发现并被编目，并且这些相关数据也可以在公共数据库或文献中检索。

换句话说，对于要编辑的不同基因，这三种方法必须“定制”才能“服务”。随着基因编辑技术研究的不断深入，公共技术平台将积累越来越多的共性研究，“定制化”将变得越来越简单。申请门槛的降低必将进一步扩大市场规模。

轻松导航和最大的市场份额

尽管“定制服务”的简化是一种趋势，但定制CRISPR的简单性是固有的，因为它是由核糖核酸“引导”的，并且比蛋白质更接近于脱氧核糖核酸。

去年7月，生物技术专业网站《生物新闻》发表了一篇题为“基因编辑，不要忘记ZFN和塔伦”的文章。单词“return”使得基因编辑技术CRISPR不言而喻。CRISPR具有设计和操作简单的优点，使其成为最新但应用最广泛的产品。

“导向核糖核酸的合成非常容易。只要确定了序列，就可以根据序列互补的原则进行合成。”谢榛说，“然而，蛋白质和DNA之间没有‘互补’这样明确的关系。为了合成蛋白质区域作为指导，需要一整套过程，包括预测和验证。”

谢榛解释说，TALEN在这方面相对容易。根据TALEN蛋白结合DNA的现有特征，它可以帮助设计结合特定DNA序列的蛋白。ZFN是最复杂的“定制服务”。

由于CRISPR具有灵活的“转换”能力，它已被广泛应用于基因编辑的各个领域。分析报告指出，CRISPR有望占据全球市场的最大份额。

这也导致桑加莫生物技术公司的老板，ZFN技术的所有者，像“酸葡萄”一样说CRISPR，尽管它的高效率，在“准确性”上不如ZFN，不能用于医疗领域。2017年，该公司组织并实施了人类基因改造疗法的首次临床试验，将基因编辑工具ZFN注射到血液中以治疗亨特综合征。

事实上，CRISPR技术也已经开始了医学诊断和治疗的临床试验。2016年，中国华西医院利用CRISPR技术删除了肺癌患者免疫细胞中的PD-1蛋白基因，然后将编辑后的免疫细胞重新注入患者血液，以期治疗癌症。

"通过微调蛋白质的性质，可以提高核酸酶的识别能力。"谢榛说，许多提高CRISPR准确性的研究工作正在进行中。2016年，谢榛的团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，称他们通过合理分裂哺乳动物细胞中的CaSe 9蛋白，并利用多输入合成基因电路感知不同的分子信号，实现了CaSe 9/DCAS9在不同类型细胞中活性的精确调节，为CRISPR/CaSe 9基因编辑工具的精确控制提供了一种新策略。

技术进步，精确更新

“以前，在剪刀剪断双链后，他们依靠细胞的自我修复能力和修复后的DNA模板来修复基因。现在不要切，让基地直接改变。”《科学》杂志2017年十大突破的基础编辑是哈佛大学团队对CRISPR技术的改进，通过改变核心成分——“酶”，实现了编辑功能的改进。谢榛解释道:“最初的Cas9酶的活性已经丧失，并且在结合中没有‘剪刀’能力，但是它可以通过与其他蛋白质融合而变成一种单碱基突变的酶。”

“起初，他们发现这种酶可以定向突变自然界中的C-T碱基，然后他们创造了另一种可以定向突变α-γ碱基的酶。”谢榛说:“目前需要解决的是准确性问题。如果在一个特定的区域有多个重复的碱基，需要确定哪一个突变。例如，靶位点5个碱基内的所有A必须突变为单个碱基。”

据报道，基因组编辑技术主要用于细胞系改造、基因工程、诊断和治疗。目前，细胞系修饰占最大份额，基因编辑干细胞疗法具有较高的研究意识。“基因编辑更像是底层技术。它是实现功能或产品的渠道和方法。我们希望其产品能尽快登陆。”谢榛说。

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三大基因编辑技术

基因编辑指的是一种对基因组进行定点修饰的新技术。使用这种技术，它可以精确地定位在基因组的某个位点，在那里靶基因片段被切掉并插入一个新的基因片段。目前，主要有三种基因编辑技术:人工核酸酶介导的锌指核酸酶(zinc转录激活因子样效应物核酸酶技术(TALEN)；Rna引导的CRISPR-Cas核酸酶技术。

ZFN技术分两步完成，具体是切割DNA形成DNA双链断裂区；断裂的脱氧核糖核酸双链可以通过破坏非同源的末端连接使目标基因失活，或通过同源重组完成脱氧核糖核酸的修复和连接等方式重新连接。

TALEN技术的原理并不复杂，即TALEN元件针对特定的DNA位点，通过一个DNA识别模块进行组合，在同一蛋白质上依次实现导入细胞核、特异性识别靶位点DNA和切割靶位点DNA三种不同的功能。

CRISPR-Cas技术使用序列特异性导向核糖核酸分子(crRNA)将核酸内切酶导向目标，从而完成基因组编辑。它的编辑基因通常分两步进行:核糖核酸合成和核糖核酸结合以及在核糖核酸指导下的剪切。(张家星)