基因组编辑

基因组编辑或基因组工程是一种基因工程，其中DNA在生物体的基因组中被插入，缺失，修饰或替换。与将遗传物质随机插入宿主基因组的早期基因工程技术不同，基因组编辑将插入目标定位到位点特定位置。

在2018年，这种编辑的常用方法使用工程化核酸酶或“分子剪刀”。这些核酸酶在基因组中的所需位置产生位点特异性双链断裂（DSB）。诱导的双链断裂通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）修复，导致靶向突变（'编辑'）。

截至2015年，使用了四个工程核酸酶家族：大范围核酸酶，锌指核酸酶（ZFN），转录激活因子样效应核酸酶（TALEN），以及聚集的规则间隔短回文重复序列（CRISPR / Cas9）系统。截至2017年，共有九个基因组编辑器。

使用工程化核酸酶进行基因组编辑，即所有三种主要类别的酶 - 锌指核酸酶（ZFN），转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）和工程化大范围核酸酶 - 被Nature Methods选为2011年度方法。[6 ] CRISPR-Cas系统被Science选为2015年度突破。

2018年11月，中国科学家报道了双胞胎女孩露露和娜娜的诞生，这是世界上第一批经过基因编辑的婴儿。编辑人类基因以抵抗HIV病毒。

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目录
1 背景
1.1 基因靶向
1.1.1 同源重组
1.1.2 条件定位
2 过程
2.1 双链断裂修复
2.2 工程核酸酶
2.2.1 大范围核酸酶
2.2.2 锌指核酸酶
2.2.3 TALEN
2.3 CRISPR
3 工程核酸酶的精确度和效率
4 Multiplex自动基因组工程（MAGE）
5 申请
5.1 植物中的靶向基因修饰
5.2 基因治疗
5.3 根除疾病
6 前景和局限
6.1 人的增强
7 风险
8 参考文献

背景
自1970年代以来，基因工程作为将新的遗传元件引入生物体的方法已经存在。该技术的一个缺点是DNA被插入宿主基因组的随机性质。这可以损害或改变生物体内的其他基因。寻求将插入的基因靶向生物体基因组内的特定位点的方法。除了减少脱靶效应外，它还能够编辑基因组内的特定序列。这可以用于研究目的，通过靶向特定基因的突变和基因治疗。通过将功能基因插入生物体并将其靶向以替换有缺陷的基因，可以治愈某些遗传疾病。

基因靶向
同源重组
将基因靶向基因组内某些位点的早期方法（称为基因靶向）依赖于同源重组（HR）。通过产生含有与靶基因组序列匹配的模板的DNA构建体，细胞内的HR过程可能将构建体插入所需位置。在胚胎干细胞上使用该方法导致转基因小鼠的发育，其中靶向基因被敲除。也有可能敲入基因或改变基因表达模式。为了表明他们发现同源重组如何通过胚胎干细胞在小鼠中引入遗传修饰，Mario Capecchi，Martin Evans和Oliver Smithies被授予2007年诺贝尔生理学或医学奖。

有条件的定位
如果一个重要的基因被淘汰，它可以证明对有机体是致命的。为了研究这些基因的功能，使用位点特异性重组酶（SSR）。两种最常见的类型是Cre-LoxP和Flp-FRT系统。 Cre重组酶是通过称为Lox-P位点的结合序列之间的同源重组去除DNA的酶。 Flip-FRT系统以类似的方式操作，Flip重组酶识别FRT序列。通过将含有目的基因侧翼的重组酶位点的生物与在组织特异性启动子控制下表达SSR的生物杂交，可以仅在某些细胞中敲除或打开基因。这些技术也用于从转基因动物中去除标记基因。对这些系统的进一步修饰使研究人员仅在某些条件下诱导重组，从而允许基因在所需的发育阶段或阶段被敲除或表达。

处理
双链断裂修复
基因组编辑依赖于DNA双链断裂（DSB）修复机制的概念。 修复DSB有两条主要途径; 非同源末端连接（NHEJ）和同源定向修复（HDR）。 NHEJ使用多种酶直接连接DNA末端，而更准确的HDR使用同源序列作为模板在断裂点再生缺失的DNA序列。 这可以通过在与DSB的侧翼序列同源的序列内产生具有所需遗传元件的载体来开发。 这将导致在DSB的站点插入所需的更改。 虽然基于HDR的基因编辑类似于基于同源重组的基因靶向，但重组率增加至少三个数量级。

工程核酸酶


一组工程化的核酸酶。匹配的颜色表示DNA识别模式
基因组编辑的关键是在基因组内的特定点创建DSB。常用的限制酶可有效切割DNA，但通常在多个部位进行再处理和切割。为了克服这一挑战并创建特定位点的DSB，迄今为止已发现了三种不同类型的核酸酶并进行了生物工程。这些是锌指核酸酶（ZFNs），转录激活因子如效应核酸酶（TALEN），大范围核酸酶和聚集的规则间隔短回文重复序列（CRISPR / Cas9）系统。

大范围核酸酶
在20世纪80年代后期发现的大范围核酸酶是内切核酸酶家族中的酶，其特征在于它们识别和切割大DNA序列的能力（从14到40个碱基对）。最广泛和最广为人知的大范围核酸酶是LAGLIDADG家族中的蛋白质，其名称来源于保守的氨基酸序列。

通常在微生物物种中发现的大范围核酸酶具有具有非常长的识别序列（> 14bp）的独特性质，因此使它们天然非常特异。然而，几乎没有机会找到作用于所选特定DNA序列所需的确切大范围核酸酶。为了克服这一挑战，已经使用诱变和高通量筛选方法来产生识别独特序列的大范围核酸酶变体。其他人已经能够融合各种大范围核酸酶并产生识别新序列的杂合酶。还有一些人试图在一种名为合理设计的大范围核酸酶的方法中改变大范围核酸酶的DNA相互作用氨基酸以设计序列特异性的巨磷酸酶。另一种方法涉及使用计算机模型来尽可能准确地预测修饰的大范围核酸酶的活性和识别的核酸序列的特异性。

已经建立了一个包含数万个蛋白质单位的大型银行。这些单元可以组合以获得识别目标位点的嵌合大范围核酸酶，从而提供满足广泛需求的研究和开发工具（基础研究，健康，农业，工业，能源等）。这些包括工业规模生产能够切割人XPC基因的两种大范围核酸酶;该基因的突变导致着色性干皮病，这是一种严重的单基因疾病，使患者易患皮肤癌，并在皮肤暴露于紫外线时灼伤。

与锌指核酸酶（ZFN）等方法相比，大范围核酸酶具有对细胞毒性较小的益处，可能是因为DNA序列识别更严格;然而，对于所有可能的序列构建序列特异性酶是昂贵且耗时的，因为人们不能从诸如ZFN和基于TALEN的融合的方法利用的组合可能性中受益。

锌指核酸酶
与大范围核酸酶相反，ZFN和TALEN技术背后的概念基于非特异性DNA切割催化结构域，然后可以将其与特定DNA序列识别肽（例如锌指和转录激活因子样效应物（TALE））连接。对此的第一步是找到一种核酸内切酶，其DNA识别位点和切割位点彼此分开，这种情况在限制酶中不是最常见的。一旦发现这种酶，其裂解部分可以分离，这将是非常非特异性的，因为它没有识别能力。然后该部分可以与序列识别肽连接，这可以导致非常高的特异性。

锌指图案出现在几个转录因子中。在所有人类蛋白质的8％中发现的锌离子在其三维结构的组织中起重要作用。在转录因子中，它通常位于蛋白质-DNA相互作用位点，在那里它稳定基序。每个手指的C末端部分负责DNA序列的特异性识别。

识别的序列很短，由大约3个碱基对组成，但是通过组合6至8个锌指，其识别位点已被表征，可以获得约20个碱基对的序列的特定蛋白质。因此可以控制特定基因的表达。已经证明该策略可用于促进动物血管生成过程。还可以将以这种方式构建的蛋白质与内切核酸酶的催化​​结构域融合，以诱导靶向DNA断裂，并因此将这些蛋白质用作基因组工程工具。

通常采用的方法包括将两个DNA结合蛋白 - 每个含有3至6个特别选择的锌指 - 与FokI核酸内切酶的催化结构域相关联，其需要二聚化以切割双链DNA。这两种蛋白质识别两个相隔几个核苷酸的DNA序列。将两个锌指蛋白连接到它们各自的序列使得两个FokI结构域更紧密地结合在一起。 FokI需要二聚化以具有核酸酶活性，这意味着特异性随着每个核酸酶配偶体识别独特的DNA序列而显着增加。为了增强这种效果，FokI核酸酶已被设计为仅能作为异二聚体起作用。

几种方法用于设计所选序列的特定锌指核酸酶。最普遍的涉及将锌指单元与已知的特性（模块化组装）相结合。已经开发了使用细菌，酵母或哺乳动物细胞的各种选择技术以鉴定提供最佳特异性和最佳细胞耐受性的组合。尽管尚未报道锌指核酸酶活性的直接全基因组特征，但测定细胞中双链DNA断裂总数的测定发现，在用锌指核酸酶处理的细胞中，只有一到两次这样的断裂发生在背景之上。具有24bp复合识别位点和专性异二聚体FokI核酸酶结构域。

异二聚体功能性核酸酶将避免不需要的同型二聚体活性的可能性，从而增加DSB的特异性。尽管ZFN和TALEN构建体的核酸酶部分具有相似的性质，但这些工程化核酸酶之间的差异在于它们的DNA识别肽。 ZFN依赖于TALE上的Cys2-His2锌指和TALEN构建体。这两种识别DNA结构域的DNA都具有它们在蛋白质中天然存在的特征。 Cys2-His2锌指通常以相距3bp的重复序列发生，并且在多种核酸相互作用蛋白（例如转录因子）中以多种组合存在。锌指区域的每个手指是完全独立的，并且一个手指的绑定能力受其邻居的影响。另一方面，TALE在重复中发现，在氨基酸和识别的核苷酸对之间具有一对一的识别率。因为锌指和TALE都以重复模式发生，所以可以尝试不同的组合以产生多种序列特异性。锌指已经在这些术语和方法中得到了更多的建立，例如模块化装配（其中锌指与三联体序列相关联连接以覆盖所需的序列），OPEN（肽结构域与三重核苷酸的低严格性选择随后通过肽组合的高严格性选择与细菌系统中的最终靶标，并且已经使用锌指文库的细菌单杂交筛选以及其他方法来制备位点特异性核酸酶。

锌指核酸酶是已经用于修饰一系列基因组的研究和开发工具，特别是由Zinc Finger Consortium的实验室。 美国Sangamo BioSciences公司使用锌指核酸酶进行干细胞基因工程研究和免疫细胞修饰以达到治疗目的。 修饰的T淋巴细胞目前正在进行I期临床试验，以治疗一种类型的脑肿瘤（胶质母细胞瘤）和抗击艾滋病。

TALEN


TALEN过程概述
转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）是特异性DNA结合蛋白，其特征在于33或34个氨基酸重复阵列。 TALEN是通过将核酸酶的DNA切割结构域与TALE结构域融合而设计的人工限制酶，其可以被定制以特异性识别独特的DNA序列。这些融合蛋白用作易于靶向的“DNA剪刀”，用于基因编辑应用，其能够进行靶向基因组修饰，例如活细胞中的序列插入，缺失，修复和置换。可以设计用于结合任何所需DNA序列的DNA结合结构域来自TAL效应子，由植物致病性Xanthomanos app排泄的DNA结合蛋白。 TAL效应子由重复的结构域组成，每个结构域包含高度考虑的34个氨基酸序列，并识别靶位点内的单个DNA核苷酸。核酸酶可在靶位点产生双链断裂，可通过易错的非同源末端连接（NHEJ）修复，通过引入小插入或缺失导致基因破坏。除了在氨基酸位置12和13处的所谓的重复可变二残基（RVD）之外，每个重复都是保守的.RVD确定TALE将结合的DNA序列。 TALE重复和相应的DNA序列之间的这种简单的一对一对应使得组装重复阵列的过程直接识别新的DNA序列。这些TALEN可以从DNA核酸酶FokI融合到催化结构域，以产生转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）。得到的TALEN构建体结合了特异性和活性，有效地产生仅在预选位点结合和切割DNA序列的工程化序列特异性核酸酶。 TALEN目标识别系统基于易于预测的代码。 TAL核酸酶对其靶标具有特异性，部分原因在于其30+碱基对结合位点的长度。 TALEN可以在整个基因组中任何单个核苷酸的6个碱基对范围内进行。

TALEN构建体以与设计的锌指核酸酶类似的方式使用，并且在靶向诱变中具有三个优点：（1）DNA结合特异性更高，（2）脱靶效应更低，和（3）DNA结合的构建域名更容易。

CRISPR
CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是细菌用作一种获得性免疫以抵御病毒的遗传元件。它们由源自病毒基因组的短序列组成，并已整合到细菌基因组中。 Cas（CRISPR相关蛋白）处理这些序列并切割匹配的病毒DNA序列。通过将含有Cas基因和特异性构建的CRISPR的质粒导入真核细胞，可以在任何所需位置切割真核基因组。包括Cellectis和Editas在内的几家公司一直在努力将CRISPR方法货币化，同时开发基因特异性疗法。

工程核酸酶的精确度和效率
基因编辑的大范围核酸酶方法是上述方法中效率最低的方法。由于其DNA结合元件和切割元件的性质，它限于每1000个核苷酸识别一个潜在靶标。开发ZFN是为了克服大范围核酸酶的局限性。 ZFN可识别的可能靶标的数量增加至每140个核苷酸中的一个。然而，由于它们的DNA结合元件相互影响的能力，两种方法都是不可预测的。因此，需要高度专业知识和冗长且昂贵的验证过程。

TALE核酸酶是最精确和特异的方法，比前两种方法产生更高的效率。它实现了这样的效率，因为DNA结合元件由一系列TALE亚基组成，每个亚基具有识别独立于其他亚基的特定DNA核苷酸链的能力，从而导致更高数量的靶位点具有高精度。新的TALE核酸酶需要大约一周和几百美元才能创造，具有分子生物学和蛋白质工程方面的专业知识。

与TALE核酸酶相比，CRISPR核酸酶的精确度略低。这是由于需要在一端具有特定核苷酸以产生CRISPR用于修复其诱导的双链断裂的指导RNA。它已被证明是最快捷和最便宜的方法，只花费不到两百美元和几天的时间。 CRISPR在分子生物学方面也需要最少的专业知识，因为设计在指导RNA而不是蛋白质中。 CRISPR对ZFN和TALEN方法的一个主要优点是可以使用其~80nt CRISPR sgRNA靶向不同的DNA序列，而ZFN和TALEN方法都需要构建和测试为靶向每个DNA序列而产生的蛋白质。

由于活性核酸酶的脱靶活性会在遗传和生物体水平上产生潜在的危险后果，因此大范围核酸酶，ZFN，CRISPR和基于TALEN的融合的精确度一直是研究的一个活跃领域。虽然已经报道了可变数据，但ZFNs往往比TALEN方法或RNA引导的核酸酶具有更多的细胞毒性，而TALEN和RNA引导的方法往往具有最高的效率和更少的脱靶效应。基于DNA结合和核酸酶活性之间的最大理论距离，TALEN方法产生最大的精确度。

多重自​​动基因组工程（MAGE）


在染色体和/或基因座的多个靶向区域重复引入合成DNA，然后复制，产生具有/不具有突变的细胞。
希望研究基因组多样性和所有可能的相关表型的科学家和研究人员的方法非常缓慢，昂贵且效率低下。在这场新的革命之前，研究人员必须进行单基因操作并一次调整一小部分基因组，观察表型，并通过不同的单基因操作开始这一过程。因此，哈佛大学Wyss研究所的研究人员设计了MAGE，这是一种改进体内基因组编辑过程的强大技术。它允许快速有效地操纵基因组，所有这些都发生在小到足以放在小厨房桌子上的机器中。这些突变与细胞有​​丝分裂期间自然发生的变异相结合，产生数十亿个细胞突变。

化学结合的合成单链DNA（ssDNA）和寡核苷酸库被引入细胞的靶区域，从而产生遗传修饰。循环过程包括转化ssDNA（通过电穿孔）然后生长，其间噬菌体同源重组蛋白介导ssDNA与其基因组靶标的退火。通过在不同介质上铺板细胞筛选和鉴定靶向选择性表型标记的实验。每个周期最终需要2.5小时来处理，生长同基因培养物和表征突变需要额外的时间。通过迭代引入靶向多个位点的诱变ssDNA文库，MAGE可以在细胞群中产生组合遗传多样性。最多可以有50个基因组编辑，从单核苷酸碱基对到全基因组或基因网络，同时结果只需数天。

MAGE实验可以分为三类，其特征在于不同程度的规模和复杂性：（i）许多靶位点，单个基因突变; （ii）单个靶位点，许多基因突变; （iii）许多靶位点，许多基因突变。第三类的一个例子反映在2009年，其中Church和同事能够对大肠杆菌进行编程，产生正常量番茄红素的五倍，番茄红素通常在番茄种子中发现并与抗癌特性相关。他们应用MAGE优化大肠杆菌中的1-脱氧-d-木酮糖-5-磷酸（DXP）代谢途径，以过量产生类异戊二烯番茄红素。他们花了大约3天时间，材料刚刚超过1000美元。 MAGE可以改变基因组的简易性，速度和成本效率可以改变行业如何接近生物工程，生物能源，生物医学工程，合成生物学，制药，农业和化学工业中重要化合物的制造和生产。

应用


使用ZFN成功靶向的植物，动物和人类基因，证明了这种方法的普遍性
截至2012年，有效的基因组编辑已经开发用于从植物到动物的各种实验系统，通常超出临床意义，并且正在成为研究实验室的标准实验策略。最近一代的大鼠，斑马鱼，玉米和烟草ZFN介导的突变体以及基于TALEN的方法的改进证明了这些方法的重要性，并且该列表正在迅速扩大。使用工程化核酸酶进行基因组编辑可能有助于生命科学的许多领域，从研究植物和动物的基因功能到人类的基因治疗。例如，旨在设计细胞和生物体以执行新功能的合成生物学领域可能受益于工程化核酸酶添加或去除基因组元件并因此产生复杂系统的能力。此外，可以使用具有工程化核酸酶的干细胞研究基因功能。

下面列出了此方法可以执行的一些特定任务：

靶向基因突变
基因治疗
创建染色体重排
用干细胞研究基因功能
转基因动物
内源基因标记
靶向转基因添加
植物中的靶向基因修饰


GEEN工作流程和编辑可能性概述
使用大范围核酸酶，ZFN和TALEN的基因组编辑为植物中的遗传操作提供了新的策略，并且可能通过修饰内源基因来帮助工程化所需的植物性状。例如，主要作物物种中的位点特异性基因添加可用于“性状堆积”，由此几种期望的性状物理连接以确保它们在育种过程中的共分离。最近在拟南芥（Arabidopsis thaliana）和玉米（Zea mays）中报道了这些病例的进展。在拟南芥中，使用ZFN辅助的基因靶向，将两种除草剂抗性基因（烟草乙酰乳酸合酶SuRA和SuRB）引入SuR基因座，具有高达2％的具有突变的转化细胞。在Zea mays中，通过ZFN诱导的DSB和所得的NHEJ实现靶基因座的破坏。在这种情况下，ZFN还用于驱除除草剂耐受性基因表达盒（PAT）到靶向内源基因座IPK1中。在再生植物中观察到的这种基因组修饰已被证明是可遗传的并且传递给下一代。

此外，基于TALEN的基因组工程已经过广泛测试和优化，可用于植物。美国食品配料公司Calyxt也使用TALEN融合来改善豆油产品的质量并增加马铃薯的储存潜力

需要进行若干优化以使用ZFN介导的靶向改善编辑植物基因组。这些包括核酸酶的可靠设计和后续测试，核酸酶无毒性，适当选择用于靶向的植物组织，引入或诱导酶活性的途径，缺乏脱靶诱变，以及可靠地检测突变病例。

基因治疗
理想的基因治疗实践是在自然位置用正常等位基因替换缺陷基因。这比病毒传递的基因更有利，因为当通常情况下只需要改变一小部分基因时，不需要包括完整的编码序列和调节序列。部分替换基因的表达与正常细胞生物学相比也比病毒载体携带的完整基因更一致。

通过ZFN或基于TALEN的方法的基因靶向也可用于修饰其内源染色体位置处的缺陷基因。实例包括通过用携带白细胞介素-2受体共同γ链（IL-2Rγ）的DNA进行离体基因校正和使用TALEN体外校正Xeroderma pigmentosum突变来治疗X连锁严重联合免疫缺陷（X-SCID）。逆转录病毒载体基因组的插入诱变在一些患者中诱导白血病，这些技术预计会避免这个问题。然而，ZFN也可能以与病毒转导不同的方式引起脱靶突变。目前采取了许多措施来改善脱靶检测并确保治疗前的安全性。

使用锌指核酸酶（ZFN）的Delta 32突变（CCR5基因的抑制因子，其是HIV-1进入T细胞的共同受体，因此能够使HIV感染）。 SGMO的研究人员在CD4 + T细胞中突变CCR5，随后产生了抗HIV的T细胞群。

基因编辑用于生成修饰的定制免疫细胞。例如，最近的一份报告表明可以修饰T细胞以使糖皮质激素受体失活;由此产生的免疫细胞功能齐全，但对常用皮质类固醇的作用具有抵抗力。同样，Cellectis的科学家最近使用TALEN技术生成了表达嵌合抗原受体的定制T细胞。可以将这些T细胞工程化以抵抗抗癌药物并引发针对目标靶标的免疫应答。

基于TALEN的基因组编辑的第一个临床应用是在11个月大的儿童中治疗CD19 +急性淋巴细胞白血病。改造的供体T细胞经过工程改造以攻击白血病细胞，对阿仑单抗具有抗性，并在引入后逃避宿主免疫系统的检测。治疗几周后，患者病情好转。虽然医生很谨慎，但患者在治疗后仍然处于缓解期一年多。

2017年12月，在复发或难治性（R / R）CD19阳性B细胞急性淋巴细胞白血病（R / R）CD19阳性B细胞急性淋巴细胞白血病的成人和儿童患者中，UCART19（一种研究性同种异体抗CD19 CAR T细胞产品）的两项I期研究的初步结果（ B-ALL），在亚特兰大举行的第59届美国血液学会（ASH）年会和博览会上发表。这些首次人体数据证明了UCART19的安全性和耐受性，使成人和儿科患者群体的完全缓解率达到83％。

根除疾病
CRISPR-Cas9与基因驱动一起被用作改变传统孟德尔遗传定律的潜力。研究人员已经成功地使用CRISPR-Cas9基因驱动来修饰与冈比亚冈比亚无菌相关的基因。冈比亚是疟疾的载体。 “基因驱动”是一种基因工程技术，是科学家提出的有效消灭冈比亚冈比亚，阿拉伯树和coluzzii的物种的有效手段。结果，转基因亲本蚊子和携带病原体的父母的后代停止正常发育，导致它们在成年之前死亡。正在研究替代基因，这些基因影响载体携带疾病的能力，而不是引起故意的不育和可能的灭绝。该技术还可以根除其他媒介传播疾病，如黄热病，登革热，寨卡病，西尼罗河，血吸虫病，利什曼病和莱姆病。

考虑到目前没有批准用于人类的莱姆疫苗，但是对于狗来说，麻省理工学院生物工程副教授凯文埃斯韦特建议在白足小鼠身上使用这种疫苗。如果有效，CRISPR-Cas9基因驱动可以与在白足小鼠中形成抗体相关的基因一起使用，然后种植在小鼠配子的细胞中。 Esvelt目前正在寻求批准马萨诸塞州楠塔基特的住所，以利用该岛作为他的实验的测试环境。

可以通过靶向临床基因型或流行病学分离株对CRISPR-Cas9系统进行编程以调节任何细菌物种的群体。它可以通过消除病原体选择性地使有益细菌物种超过有害细菌物种，这使其优于广谱抗生素。

针对人类病毒如HIV，疱疹和乙型肝炎病毒的治疗的抗病毒应用正在研究中。 CRISPR可用于靶向病毒或宿主以破坏编码病毒细胞表面受体蛋白的基因。

如果在胚胎阶段早期发现这些基因突变，那么正在对CRISPR-Cas9进行广泛的研究，以纠正导致遗传性疾病的遗传性突变，如唐氏综合症，脊柱裂，无脑畸形，以及使用靶向基因治疗的Tuner和Klinefelter综合征，我们目前已经有能力这样做了。由于一种过表达基因导致的许多遗传疾病，CRISPR-Cas9可用于沉默整个染色体，或用Cas9核酸内切酶切割删除过表达的基因。

正在进行其他研究，使用CRISPR靶向癌细胞中的特定基因，希望利用基因组编辑来抑制癌细胞的细胞增殖和致瘤性。

2018年11月，中国科学家报道了双胞胎女孩露露和娜娜的诞生，这是世界上第一批经过基因编辑的婴儿。编辑人类基因以抵抗HIV病毒。

前景和局限
将来，使用工程化核酸酶进行基因组编辑研究的一个重要目标必须是提高核酸酶的安全性和特异性。例如，提高检测脱靶事件的能力可以提高我们了解预防方法的能力。此外，ZFNs中使用的锌指很少完全特异，有些可能引起毒性反应。然而，据报道，通过对ZFN的切割结构域进行修饰，毒性降低。

此外，Dana Carroll研究用工程化核酸酶修饰基因组已经表明需要更好地理解DNA的基本重组和修复机制。将来，鉴定次级靶标的可能方法是从表达ZFN的细胞捕获断端并使用高通量测序对侧翼DNA进行测序。

由于CRISPR的易用性和成本效益，目前正在进行广泛的研究。尽管最近发现了CRISPR，但是现在有更多关于CRISPR的出版物而不是ZFN和TALEN。[40]由于其精确性和效率，CRISPR和TALEN都有望成为大规模生产中的选择。

基因组编辑也是一种没有人工基因工程的自然过程。有能力编辑遗传密码的代理是病毒或亚病毒RNA代理。

尽管GEEN在反向遗传学方面的效率高于许多其他方法，但它仍然效率不高;在许多情况下，不到一半的治疗人群获得了所需的变化。例如，当计划使用细胞的NHEJ来创建突变时，细胞的HDR系统也将以更低的突变率纠正DSB。

传统上，小鼠一直是研究人员作为疾病模型宿主的最常见选择。通过在较大的动物（如猪，狗和非人类灵长类动物）中创建转基因疾病模型，CRISPR可以帮助弥合该模型与人类临床试验之间的差距。使用CRISPR-Cas9系统，可以将编程的Cas9蛋白和sgRNA直接引入受精的受精卵中，以在啮齿动物中创建转基因模型时实现所需的基因修饰。这允许绕过通常的细胞靶向阶段来产生转基因品系，结果，它将产生时间减少了90％。

CRISPR带来其有效性的一个潜力是异种移植的应用。在之前的研究试验中，CRISPR表现出靶向和消除内源性逆转录病毒的能力，从而降低传播疾病的风险并降低免疫屏障。消除这些问题可改善供体器官功能，从而使该应用更接近现实。

人的增强
许多超人主义者认为基因组编辑是人类增强的潜在工具。澳大利亚生物学家和遗传学教授大卫安德鲁辛克莱指出，“基因组编辑的新技术将允许它被用于个人（...）以使（......）更健康的孩子” - 设计师婴儿。根据纳菲尔德生物伦理委员会2016年9月的一份报告，未来有可能通过其他生物或完全合成基因的基因增强人群，例如改善夜视和嗅觉。

美国国家科学院和国家医学院于2017年2月发布了一份报告，为人类基因组编辑提供了合格的支持。他们建议，一旦找到解决安全和效率问题的答案，有一天可能会允许进行基因组编辑的临床试验“但仅限于严格监督下的严重情况。”

风险
在美国情报界2016年全球威胁评估中，美国国家情报局局长詹姆斯·R·克拉珀将基因组编辑命名为潜在的大规模杀伤性武器，并指出由具有监管或道德标准的国家进行的基因组编辑“与西方国家“可能会增加产生有害生物制剂或产品的风险。根据该声明的广泛分布，低成本和加速的技术发展速度，其故意或无意的滥用可能会导致深远的经济和国家安全影响。例如，可以使用诸如CRISPR之类的技术来制造“致命的蚊子”，其导致瘟疫消灭主要作物。

根据纳菲尔德生物伦理委员会2016年9月的报告，编辑遗传密码的工具的简单性和低成本将允许业余爱好者 - 或“生物黑客” - 进行他们自己的实验，从而发布转基因的潜在风险错误。审查还发现，修改一个人的基因组 - 并将这些变化转嫁给后代 - 的风险和好处是如此复杂，以至于他们需要进行紧急的道德审查。这些修改可能会产生意想不到的后果，不仅可能伤害儿童，还可能伤害未来的儿童，因为改变后的基因会出现在他们的精子或卵子中。 2001年，澳大利亚研究人员罗纳德·杰克逊和伊恩·拉姆肖因在“病毒学杂志”上发表论文而受到批评，该论文探讨了澳大利亚主要害虫小鼠的潜在控制，感染了一种改变的鼠痘病毒，这种病毒会导致不育信息可能导致潜在的生物恐怖分子制造生物武器，他们可能利用这些知识创造可能影响人类的其他痘病毒（如天花）的抗疫苗株。此外，还有一些关于将基因驱动释放到野生种群中的生态风险的担忧。

另见
CRISPR/Cpf1
Germinal choice technology
NgAgo, a ssDNA-guided Argonaute endonuclease

参考
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