怎样给基因做手术

作者：杨超月

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　　文/郭晓强

　　花开花落，生老病死，这些生命现象都与基因有关。基因位于细胞内的染色体上，其本质是一类由四种碱基（用四种字母A、G、C、T表示）组成的DNA片段。这四种碱基的不同排列顺序构成了不同的基因，这些基因几乎参与了生命的每一个过程。但是，如果基因功能不正常，比如太活跃或不工作，可能导致疾病的发生（常见的如肿瘤和遗传病），此时我们可认为基因“得病”了。基因“得病”后怎么办？轻的可以吃药，重的话则需要通过手术予以纠正。

　　基因手术的原理类似于常见的外科手术，主要由两个关键部分构成。第一是手术刀。这是一类被称作酶的蛋白质，是手术完成的关键。第二是识别装置，有蛋白质、DNA或RNA等。它们就像外科医生，指挥着手术刀，以保证纠正错误基因的同时不伤害正常基因（就像外科手术切盲肠的时候不能将大肠甚至肾脏等切除）。

　　基/因/手/术/之/一

　　基因打靶

　　手术刀：重组酶

　　识别装置：和待手术的基因序列基本一致的DNA

　　基因打靶是20世纪80年代出现的一种技术，发明该技术的三位科学家因此获得2007年诺贝尔生理学或医学奖。在小鼠身上的实验已经取得成功：对胰岛素基因损伤的糖尿病小鼠进行基因打靶可治疗其糖尿病。但该技术应用于临床存在巨大难题，主要原因在于，大部分细胞内的重组酶活性都很低——手术刀不锋利难以保证手术的成功。

　　基/因/手/术/之/二

　　限制性内切酶法

　　手术刀：限制性内切酶

　　识别装置：限制性内切酶

　　限制性内切酶是一类特殊的手术刀，它还具有识别功能，可以专一识别一段基因序列同时将DNA切开。限制性内切酶主要存在于细菌中。经典的限制性内切酶识别序列过短（4~6个碱基），不能有效区分2万多种不同的基因，容易出现“手术误伤”。

　　基/因/手/术/之/三

　　大范围核酸酶法

　　手术刀：大范围核酸酶

　　识别装置：大范围核酸酶

　　大范围核酸酶能够识别多于14个碱基的序列，理论上可区别所有基因。但这类酶的数量太少，绝大多数基因都找不到相应的酶，缺了手术刀就无法进行手术。

　　基/因/手/术/之/四

　　基锌指核酸酶技术（ZFN）

　　手术刀：DNA内切酶FokI

　　识别装置：锌指蛋白

　　锌指蛋白是一类专一识别3个碱基的蛋白质，不同锌指蛋白识别的碱基也不同，因此可根据需要进行组合，从而达到区分不同基因的目的。锌指蛋白没有切开DNA的能力，工作时需要手术刀——DNA内切酶FokI（一种核酸酶）的配合。

　　锌指核酸酶技术（ZFN）将手术刀和识别装置分离，并利用外源的手术刀增加基因的切开效率，是一个很大进步。但是，该技术需要根据基因序列进行锌指蛋白组合，组合后的识别效率不高，容易引起手术“误伤”。

　　基/因/手/术/之/五

　　转录激活样效应蛋白核酸酶技术（TALEN）

　　手术刀：DNA内切酶FokI

　　识别装置：转录激活样效应蛋白

　　转录激活样效应蛋白也可专一识别碱基，且一种效应蛋白识别一种碱基。这为组合带来更大便利。如果识别18个碱基，只要根据一一对应关系组合18个效应蛋白即可，组合后的识别效率远远高于锌指蛋白，且设计过程大大简化。其效率较高，操作相对简洁，因此得到广泛应用。但该技术涉及烦琐的蛋白质组合，大多数普通工作人员无法有效掌握，从而为普及带来不便。

　　基/因/手/术/之/六

　　导向RNA辅助的DNA手术（CRISPR-CAS9）

　　手术刀：细菌核酸内切酶CAS9

　　识别装置：导向RNA

　　将手术刀（导向RNA）和识别装置（细菌核酸内切酶CAS9）同时转移入细胞内，识别装置与待手术的目标基因实现专一配对，并启动手术刀，从而将两条DNA链同时切开。

　　该技术利用碱基配对原理实现识别效应，大大简化了设计程序和实验操作，有利于推广和应用。此外，转入多个特异性导向RNA还可同时实现多基因手术，从而为科学研究和实际应用带来更大便利。