基因编辑技术有哪些实际的应用？

病理医师

基因编辑技术有哪些实际的应用？
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大力水手

基因编辑是一种改变细菌、植物和动物等“生物体基因组的特定目标基因”，从而改变相应生物特征或治疗相关疾病的技术。目前，基因编辑技术主要包括锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶和成簇规律性间隔短回文重复序列等项技术。由于zFN和TALEN的脱靶效应和组装的复杂性，故这两项基因编辑技术的应用受到了限制：而cRISPR的脱靶效应较少，并且它是基于RNA的一种编辑技术，更易于合成和并人靶细胞中，故目前已经成为了最常用的基因编辑技术。
根据效应蛋白(cAs凋亡蛋白酶)的不同，可将cRIsPR系统分为3种类型，其中I型和Ⅲ型依靠多个效应蛋白共同发挥作用；Ⅱ型则仅需单一效应蛋白，如cas9、casl2a、casl2b和casl3a蛋白等，其中cas9与CRISPR组成的CRISPR／Cas9Ⅱ型编辑系统使用最多。
近年来．以cRIsPR／cas9系统为代表的新型基因编辑技术发展迅速，并开始广泛应用。
研究发现，90％的古细菌和40％的细菌中都存在cRIsPR。cRISPR由日本科学家于1987年在大肠杆菌染色体上发现，但当时科学家对其蕴含的生物学意义并不了解。法国研究人员于2005年发现，cRISPR能够通过入侵的噬菌体DNA获得一段新的DNA序列，且与细菌的天然免疫防御有关。
2012年，美国研究人员发现，CRISPR／Cas9是一种由RNA引导的能够靶向切割再次入侵的外来基因组的核酸内切酶．用来引导的RNA被称为向导RNA(小NA)／crRNA。2013年，CRISPR／Cas9技术被正式应用于DNA的编辑修饰。与其他技术相比，该技术的构建成本大大降低，操作更加便捷，编辑效率也更高。
工具的多样化科学家持续研发出各种不同类型的剪切酶，cRIsPR基因编辑技术的工具箱不断得到优化和扩充，包括CRISPR／Casl2a、CRISPR／Casl2b、CRISPR／CasX、CRISPR／CasY、CRISPR／Casl3a、CRISPR／Casl3b、CⅢSPR／Cas3、CRISPR／dcas9、CRISPR／CasRx、cRIsPR／cpfl以及cRIsPR／casl4等，并且多项研究已证实了cRIsPR／casl2a等基因编辑系统的潜力。这些新技术的不断开发不仅有助于解决基因编辑技术的缺陷，同时也使基因编辑的应用范围获得极大拓展。例如．2020年，加拿大多伦多大学开发出能同时对多个基因组位点进行编辑的基因编辑工具cHyMErA，可应用到任何哺乳动物细胞中。

基因编辑技术的新功能不断被挖掘，其应用范围也不断扩大。基因编辑技术甚至已经应用于人类胚胎和人体基因的编辑。目前，
基因编辑技术主要应用于生物医学、农业与环境科学等领域。
生物医学方面理论上讲，科学家可以利用基因编辑技术编辑任何基因突变，从而达到治愈疾病的效果。但在实践中，人们才刚开始发展将基因编辑作为疗法来应用，这方面的工作仍存在许多未知数。以下是科学家正在尝试利用cRIsPR／cas9技术治疗的疾病，它们最终都有可能成为第一种使用这种革命性技术治疗的疾病。
目前首批也是最先进的CRISPR临床试验之一是中国杭州市肿瘤医院正在开展的将基因编辑工具用于治疗食道癌晚期患者潜力的测试。科学家首先从患者体内提取免疫T细胞，利用cRISPR对这些细胞进行修饰，敲除T细胞中编码PD一1蛋白的基因．然后将修饰后的T细胞重新注入患者体内以攻击癌细胞。肿瘤细胞可与免疫T细胞表面的PD一1蛋白结合，使其不攻击癌细胞，经过基因修饰使其不表达PD一1蛋白后可以继续抗击癌细胞，从而达到治疗癌症的目的。到目前为止，中国至少有86名患有不同种类癌症的患者接受了cRIsPR治疗。美国另有一项CRISPR试验也针对癌症，该试验于2019年4月开始，截至目前，接受治疗的3名患者是安全的。
地中海贫血症(TDT)和镰状细胞贫血症(scD)都会影响血液中氧气的运输。欧洲和美国开展了一项旨在治疗这两种血液病的cRIsPR试验．于2019年2月招募了第一名试验患者。cRISPR／Cas9基因编辑疗法CTx001是由CRISPR Therapeutics公司和vertex制药公司联合开发的。它包括从患者身上获取骨髓干细胞，并使用cRIsPR使其产生胎儿血红蛋白。胎儿血红蛋白是一种天然的载氧蛋白，比成人体内的血红蛋白具有更好的氧结合能力。在试验开始前．美国食品药品管理局将其搁置以排除安全问题，几个月后．解除搁置并为这两种血液病的治疗制定了快速通道。1／2期临床试验的中期数据显示，一名输血依赖性地中海贫血症患者和一名严重镰状细胞贫血症患者在接受cTx001治疗后，均达到停止依赖输血的效果。
血友病是可以利用cRIsPR技术治疗的另一种血液病。cRIsPR Therapeutics正与casebia合作开发一种可将基因编辑工具直接传递到肝脏的体内cRIsPR疗法。
cRIsPR是治疗遗传性失明的理想候选疗法。很多遗传性失明是由特定突变引起的，利用cRIsPR／cas9可靶向和修饰单个突变基因。此外，眼睛是人体免疫功能低下的部位，这意味着免疫功能在此受限。Editas Medicine正在研究一种针对先天性黑朦的cRIsPR疗法。先天性黑朦是儿童遗传性失明的最常见原因，目前尚无治疗方法。该公司旨在针对该疾病最常见的突变位点，使用cRIsPR在孩子完全失明之前恢复其光敏细胞的功能。研究证实，EditasMedicine公司开发的EDIT一101基因疗法可成功恢复Leber氏先天性黑蒙症10型患者的视力，目前该疗法处于临床试验阶段。
CRISPR技术可以通过多种方式帮助人类抗击艾滋病：一种是利用cRIsPR将HIv病毒的DNA从其隐藏在免疫细胞DNA中的地方切下来。该方法可用于攻击隐藏的非活动形式的病毒，大多数疗法无法完全清除这种形式的病毒。另一种方法是促使人体抗击HIV病毒感染。某些人由于白细胞趋化因子受体(ccR5)基因的突变而天生具有HIv抗性，该基因编码免疫细胞表面的一种作为HIv感染细胞切人点的蛋白质。基因突变改变了蛋白质的结构，从而使HIV病毒不再能与其结合。2018年，中国学者贺建奎使用cRIsPR技术编辑人类胚胎使其对HIV感染具有抵抗力，这项研究在科学界引起了广泛关注和争议。
一些研究指出，“cRIsPR婴儿”可能更容易死亡。科学家普遍认为，要在人类中使用这种方法，还需要开展更多的前期研究。
囊性纤维化是一种遗传性疾病，会导致严重的呼吸道问题。尽管有治疗该疾病的方法，但患者的预期寿命仅为40岁左右。cRIsPR技术可以通过编辑位于cFTR(cvstic fibrosis tmnsmembraneconductance regulator)基因中的导致囊性纤维化的突变，来解决问题的根源。研究人员已证明，可以在患有囊性纤维化患者的肺细胞中使用cRISPR并修复引发该疾病的最常见突变。Editas Medicine和cRIsPRTher叩eutics都计划在人体中对该方法进行测试。
2020年，荷兰乌得勒支研究所和乌得勒支大学等研究机构的研究人员还证实，基于cRIsPR的碱基编辑器可以安全地治愈源自患者的干细胞中的囊性纤维化.
然而，囊性纤维化可能是由cF豫基因的几种不同突变引起的，这意味着针对不同的遗传缺陷必须进行不同的cRIsPR治疗。Editas表示，该公司将研究最常见的突变以及一些尚无相关疗法的罕见突变。
杜氏肌营养不良是由D彻基因突变引起的。该基因编码肌肉收缩所必需的一种蛋白质。患有该疾病的儿童呈现进行性肌萎缩症状，目
前除了姑息治疗外没有其他可用的治疗方法。利用小鼠做的研究表明，cRIsPR技术可用于修复引发该疾病的多个基因突变。2018年，美国一组研究人员开发了一种创新的方法。不是单独修复每个突变，而是使用CRISPR切割了12个重要的“突变位点”[15|，涵盖了引起该疾病的约3000种不同突变中的大多数。美国成立了一家名为Exonics Therapeutics的公司以进一步开发这种方法。2018年10月，美国德克萨斯大学西南医学中心、Exonics Therapeutics公司等研究人员在4只携带着DMD患者最常见的突变的狗中，利用CRISPR基因编辑技术阻止了杜氏肌营养不良的进展。Editas Medicine也在研究治疗杜氏肌营养不良的CRISPR疗法，开发一种更广泛的方法，即不修复突变，而是利用cRISPR去除突变蛋白的整个部分，使蛋白变短但仍然起作用。
亨廷顿氏病是一种神经退行性遗传疾病。该疾病是由亨廷顿基因内某些DNA序列的异常重复引起的。DNA序列的拷贝数越高，疾病越早显示出来。cRIsPR在大脑中的任何脱靶效应都可能带来非常危险的后果．因此利用CRISPR治疗亨廷顿氏病可能比较困难。为了降低风险，科学家正在研究调整基因编辑工具以使其更安全。美国研究人员开发出了KamiCas9．这是CRISPR／Cas9的一个版本．包含cas9的“自毁按钮”。波兰研究人员选择将cRIsPR／cas9与一种称为切口酶的酶配对．以使基因编辑更加精确。
尽管CRIsPR在以往的基因编辑技术的基础上有所改进，但并不完美。例如，基因编辑工具有时会切人错误的位点，科学家还无法确定这些错误将如何影响患者。因此，评估基因疗法的安全性和改进基因编辑技术是确保该技术可用于治疗患者的关键步骤。
在农业、食品科学和环境科学等方面，cRIsPR／cas9也具有巨大的应用潜力。过去，基因编辑仅应用于玉米、大豆等大型农作物商品品种，这是由于获得转基因作物批准所必需的技术和法规障碍。cRIsPR／cas9技术由于操作简单、成本低，科学家已将其应用于不同的物种，例如六倍体面包小麦、小型猪和蘑菇。重要的原因是，一些工程物种不在目前监管程序的范围之内。例如，科学家工程改造的双孢蘑菇，由于不包含外源基因，因此不受美国农业部的监管。
CRISPR／Cas9技术在环境科学中也有潜在应用，尤其是利用基因编辑技术开发的基因驱动系统。通过该过程，已编辑的基因可以在人群中传播，从而消灭疾病。一些研究建议将基因驱动与cRIsPR结合，用于消除携带疾病的蚊子或壁虱。然而，与人类生殖细胞基因编辑一样，该方法已被搁置以评估不可逆性或意外风险影响，并制定适当的法规。

长长的路

基因编辑技术是指通过对DNA分子的修改来改变或添加基因信息的一系列技术。它具有准确、高效、可重复等优点，已经在许多领域得到了广泛的应用。以下是基因编辑技术的一些实际应用：

• 治疗遗传性疾病：基因编辑技术可以通过修复或替换缺陷基因，治疗一些遗传性疾病，如囊性纤维化、色素性视网膜炎等。
  
• 制造药物：利用基因编辑技术，可以将人类基因转移到动物细胞中，制造人源性药物，如血友病因子、胰岛素等。
  
• 农业：基因编辑技术可以用来改善作物品种的性状，例如提高作物产量、提高抗病性、改善营养成分等。
  
• 动物育种：基因编辑技术可以用来改变动物的基因组，改善育种效率，如提高肉牛的肉质品质、提高乳牛的产奶量等。
  
• 疾病研究：基因编辑技术可以用来构建动物模型，研究疾病的发生机制和治疗方法。
  
• 人类免疫细胞治疗：基因编辑技术可以用来修改人类免疫细胞的基因，使其更好地识别和攻击癌细胞等病原体，从而开发出更加有效的免疫细胞治疗方法。
  

总之，基因编辑技术的实际应用十分广泛，随着技术的不断发展，其应用领域也将不断扩大。

检验医师

随手补充一个，CRISPR-Cas12/13/14系统，在与匹配的dsDNA/RNA/ssDNA结合后，其内切酶活性可被激活，可以切割对应序列的单链核酸的探针分析，利用荧光淬灭探针就可以进行信号放大了。利用这个技术，就可以制作高灵敏生物检测试剂盒，具体应用，比如检测新冠、非洲猪瘟等等，都可以。


图片来源：https://flygene.com.cn/page86?_l=en

清风寡欲

你可以把几个头部biotech的管线都看一遍就知道大概有些什么应用了。
首先，一些罕见病的治疗，目前走的最快的应该是CRISPR的治疗地中海贫血的管线，其他几家也有地贫和SCD的管线；还有Intellia的HAE和ATTR；
其次，在CAR-T上的一些应用，比如Beam的Beam-201，最近clinical hold刚解除，另外之前有篇介绍这个管线的文章挺火，就是碱基编辑救了一个小女孩的；
还有一些常见病的常识，比如Verve的PCSK9，还在被clinical hold；
当然，列举的仅在制药界，在生物育种，诊断等一系列领域有更多应用。