基因编辑：农业的必由、必要、必须
（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德纳（Jennifer A. Doudna）以来，基因编辑逐渐步入大众的视野。这两年，基因编辑技术非常热门，它不仅是每个分子实验室必备的技术，同时也产生了大量的应用，包括分子育种、品种改良、基因治疗等方面。利用这一技术，科研人员可以在生物体基因组中更加高效地插入或删除某些基因，改变生物体的表型。基因编辑技术的一个重要应用是通过改变基因来获得各种疾病动物模型，能够帮助人们更好地去了解疾病发生的机理，进而去开发新的诊疗手段。今天文章内容将分享基因编辑技术的应用和未来的发展。
Part 01 什么是基因编辑？
基因储存了生物的遗传信息，对基因的修饰可对某物种的后代产生基因性状层面的影响，促使后代获得更强的生存能力（如抗病基因、促生长基因、抗衰老基因等）。究其根本，基因编辑是一种通过删除、插入或替换基因组的某个片段或特定碱基使基因组发生特定变化的分子技术，要做到而核心在于“基因剪刀” CRISPR-Cas9的发明，使人类能够精确的（至少是“相对精确”）对目标DNA片段完成编辑，改变生物性状。
CRISPR-Cas9实际上是一种利用了古细菌免疫自我防御的机制，通过RNA引导核酸切割来抵抗外来遗传物质对自身的影响，该系统由单链向导RNA(single guide RNA，sgRNA)和Cas9核酸内切酶组成。其中，sgRNA与靶序列互补配对，而Cas9识别紧邻靶点的前间隔序列临近基序(protospacer adjacent motif，PAM)，并执行剪切功能。
上述解释或许过于晦涩难懂，通俗的讲，我们可以把CRISPR-Cas9理解为自带导航（sgRNA）、切割（Cas9蛋白酶）功能的基因编辑工具，sgRNA带着Cas9找到目标片段，Cas9切断我们认为错误的（比如某些片段会抑制肌肉的的生长、又或者某些片段会导致抗病性差）片段删除、抑制、或加以修饰，因为细胞天生会自动修补受损的DNA，只要把正确的基因送进细胞核，就有机会被拿来修补Cas9剪下的断口，从而完成基因编辑。
伯克利的Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier团队曾和麻省理工的张锋团队曾在CRISPR-Cas9专利上针锋相对，前者获得了诺贝尔奖，而后者得到了Cas9在动植物上应用的专利。
Part 02 基因编辑 vs. 转基因
提到基因编辑，所有人自然会联想到转基因，但这两者本质上是有区别的。
•转基因生物（GMOs, Genetic Modified Organisms）本质上是“转入”了非本源性的基因，比如将某种抗除草剂的基因转入大豆的基因中，而这样的基因原先并不存在于大豆中，这是典型的转基因应用。
•基因编辑（GE，Genetic Editing）是在生物自有基因本身的基础上做删除、抑制、修饰等一系列精准操作，诱导或修改基因进行突变，而这种本源性的基因突变本身就存在于大自然中，只是现在利用了编辑技术更精确的、人为的加速了这一过程。
两者最大的区别是，转基因涉及引入外源性的基因，而基因编辑不涉及。过去人们谈及转基因，自然而然会产生负面的想法，我认同这样的担忧，因为转基因技术在大多数情况下是将目标基因片段插入基因的某段，是科学家们依据已有的基因信息合理推断出的最优选择，但最优解未必是最安全的，因为基因信息过于繁杂，每一段片段都可能与其他功能片段产生我们认知范围外的、意想不到的联系，并且当某个生物因为转基因具备了超强的基因，其在野外的生存能力得以碾压原有物种，从而可能导致某个物种的群体迅速衰落甚至灭绝。
但基因编辑由于不涉及转入外源性基因，并且由于我们已掌握了“基因剪刀”的技术，所有对基因的改动都是通过精准的定位偏度+精确操作完成的，因此其对环境的影响、对产生意想不到的基因疾病或崩溃的概率就小得多了。
当然，无论是转基因还是基因编辑，一旦通过国家的审批、鉴定、允许上市的，对人体的安全性就有了保障，有些危言耸听的言论认为这些食品会影响到我们自身的基因纯属是无稽之谈。
Part 03 中国急需针对基因编辑的立法
世界上许多农业强国均已针对基因编辑做了进一步的立法，将其从严苛的转基因监管政策中解放出来，减少了许多繁琐的、针对外源性基因的转入的安全性审查步骤。
各国政策监管层面对于基因编辑动植物的核心担忧有以下几点：
由于编辑工具的底层逻辑是采用了古细菌抵御噬菌体的机制，在基因编辑动物上是模仿了病毒感染宿主细胞，引发宿主细胞对照CRISPR/Cas9酶复制目标片段进行DNA片段自我修复，从而达到编辑效果的方法，这种手段的精确程度是有待提升的，比如：
| 1 | 如何保证编辑过的品种不产生脱靶效应（向导RNA导错了航），导致某些原本非常重要的基因组被编辑并产生负面反应（比如抗癌细胞被意外编辑后抑制，导致引发癌症）？ |
| 2 | 更为复杂的生物系统（比如动物）含有多种功能不同的细胞，如何在大部分不同的基因组上产生足够的嵌合效应，从而真正缩短育种所需的繁衍代数？ |
| 3 | 预料之外的过敏性效应等一系列无法预料的效应？（检测技术手段能在某些品种上做到，但不能保证100%安全） |
Part 04 如何运用基因编辑？
基因编辑的动物研究主要集中于以下几类，潜在应用场景主要是农业、环境保护及医用基因治疗领域：
•抗病特征。比如通过敲除特定蛋白获得抗疯牛病的人工培育奶牛细胞、抗禽流感的人工培育肉鸡细胞、以及抗肠胃炎的猪
•性别控制。比如能生产更多公牛的公牛精液，只诞下雌鼠的老鼠从而最终抑制鼠群数量，只下母鸡蛋的鸡等
•不孕性状。比如基因编辑产生代孕公猪、公山羊使得他们能产生优势种群的精液从而实现优势种群本地化生产、不孕雌大西洋鲑鱼加速生长等。
•生长性状。比如抑制MSTN基因从而得到长得更大的河豚和红鲷，抑制MSTN的猪牛羊，不过这类抑制MSTN编辑过后的动物通常会引发一些意想不到的疾病。
•抗过敏性状。比如敲除会导致牛奶中含有beta蛋白的基因，做到让消灭乳制品过敏的奶牛。
人类掌握CRISPR-Cas9的操作对于农业来说意味着开启了精准、定向、快速育种的能力。可以说，基因编辑真正的释放了生物育种无与伦比的潜力，大大缩短了过去杂交选育数十年碰运气、做实验的育种周期。
Part 05 我们应该关注什么？
1、大宗的动物品种，有寻求抗病性的基因改造的第一/急迫需求，这也意味着要有大型产业方的强刚需。
2、繁育周期较短，容易规模化养殖，育种周期总体更短的品种，寻找增强生长性能方向的机会，比如MSTN基因。
3、寻找各种特殊需求，比如耐热类动物，性别控制繁育，体型变大等一系列在农业领域短期内特别受产业方欢迎的动物品种。
Part 06 总结
当然，我们也看到了中国农业部在2022年底针对一系列战略作物进行了政策松绑，在动物方面也有不断组织讨论、拟出台新的监管政策，但仍无实际动向。看到世界上主要的农业大国、强国均已在近几年放开了基因编辑监管政策，我们意识到中国必须要加快脚步。
我们已在90年代转基因技术诞生时在技术储备上落后，也在后来的监管层面大大限制了我国种业行业的发展和在世界舞台上竞争的能力。欧美国家已完成了一系列抗病性状的基因编辑动物的商业化，并再次冲入中国市场希望像30年前一样卡我们的脖子。但今时不同往日，我们在多种动物品种上的底层基础研究、基因编辑的能力、以及编辑工具等方方面面都与他们处于同一起跑线，这一次，我们不能再落后，我们也不甘落后。
