基因工程的应用(三分钟让你了解基因工程简史)

人体很神秘吗？其实和电脑没太大区别。计算机程序由0和1代码组成，不同的组合使计算机能够实现不同的功能。

其实人也是由代码组成的，只是比计算机多了两个比特，分别是A、G、C、t，四个碱基按照特定的顺序排列，形成了我们人类特有的基因。

自从科学家发现了基因的秘密，一个将改变人类进程的想法诞生了，因为如果人类掌握了改变基因序列的方法，不仅各种疑难杂症将迎刃而解，人类也将之一次真正掌握自己的进化方向，主宰自己的命运。

一场关于基因编辑技术的伟大探索开始了。

20世纪60年代以前:基因编辑的先驱

1953年:双螺旋的发现

我们今天所熟悉的脱氧核糖核酸(DNA)的梯形结构被称为“双螺旋”。1953年由詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现，开启了现代生物学和遗传学的研究。

这是遗传学最重要的里程碑之一，也是未来生命科学领域的一个支柱。

1958年:DNA首次在试管中制成。

斯坦福大学医学院教授阿瑟·科恩伯格从20世纪50年代初就开始从事DNA合成的研究。1953年，他从细菌提取液中分离出DNA聚合酶，并在一年内首次在体外成功合成DNA。科恩伯格因这一杰出成就获得了诺贝尔奖。

20世纪60年代:连接DNA

1967年:将DNA片段连接在一起

DNA连接酶的发现被认为是分子生物学中的一个关键点，因为它对理解所有生物体中DNA的修复和复制至关重要。

本质上，它催化磷酸二酯键的形成，将DNA链连接在一起。这为60年代和70年代初的基因拼接实验铺平了道路。

1968年:限制酶的发现

瑞士微生物学家沃纳·阿尔伯(Werner Arber)假设细菌细胞产生两种酶:一种被称为“限制性”酶，可以识别并切割外源DNA，另一种被称为“修饰”酶，可以识别宿主DNA并保护其不被切割。从大肠杆菌中分离这两种酶的实验证实了这一假设。

20世纪70年代:基因工程出人意料地起飞了。

1970年:限制酶的纯化

约翰·霍普金斯大学医学院的分子生物学家汉弥尔顿·奥塞内尔·史密斯于1972年成功地从流感嗜血杆菌中纯化出II型限制性内切酶。

进一步了解限制酶如何“切割”DNA，宿主DNA如何自我保护，这是当代基因工程疗法和CRISPR的基础。

1971年:基因剪接实验为重组DNA铺平了道路。

斯坦福大学教授保罗·贝格证明了任何两个DNA分子可以连接在一起的理论的正确性。这一成果被视为基因工程领域的关键一步。

保罗·贝格因在核酸生物化学和重组DNA方面的基础研究获得了1980年的诺贝尔化学奖。

1972年:重组DNA的创造

这些关于DNA的实验产生了重组DNA (rDNA)。本质上，rDNA是由不同生物的DNA组成的DNA。科学家通过将一种生物的遗传物质注入另一种生物来实现这一目标。这一发现确立了现代遗传学原理，是未来实验的基础。

1974年:美国国家科学院暂停基因工程实验。

随着基因编辑技术的发展，美国国家科学院认为这些实验在伦理上是危险的。1974年，他们提议暂停所有基因工程实验。

DNA重组的先驱保罗·贝格认为这一领域的研究非常重要。1975年2月，他组织了有100多名科学家参加的Asilomar会议。在这次会议上，围绕基因实验的许多伦理问题得到了解答和规范，至今仍为现代基因工程人员所坚持。

1980年代:初步应用于植物、动物和人体

1981年:之一只转基因动物

转基因动物是那些来自外来生物的基因被有意插入动物基因片段的动物。转基因动物始于1981年，由俄亥俄大学的托马斯·瓦格纳领导的一个研究小组开展。

瓦格纳和他的团队使用一种现在称为“DNA显微注射”的方法将兔子基因转移到小鼠基因组中。他们实验的成功为接下来几年的转基因动物实验铺平了道路。

1982年:首个基因工程人类药物——合成胰岛素

基因泰克作为一家从事生物技术研发超过40年的公司，将全球首个基因工程药物——人工胰岛素推向市场。在此之前，胰岛素是从动物身上提取的。虽然它与人类胰岛素相似，但动物胰岛素有一些显著的差异。

这被认为是基因泰克历史上的一个关键时刻，也是基因工程药物获准上市的起源。

1983年:聚合酶链式反应的发展

聚合酶链式反应(PCR)的发现在后来的DNA实验中是不可或缺的，因为它被用来复制特定的DNA片段。通过链式反应，DNA序列可以被复制成千上万。

1985年:发现锌指核酸酶(ZFN基因编辑技术)

锌指核酸酶(ZFN)的发现提高了基因打靶的有效性。研究人员将DNA裂解酶与ZFN DNA融合，形成“基因组剪刀”，可以在特定位置裂解DNA，并在DNA中产生双链断裂(DSB)。

借助ZFN基因分离法，我们可以确定引起突变的确切基因并对其进行攻击。

1988年:之一批Bt玉米出现。

1988年是转基因作物之一次(正式)出现在美国的农田里。这种作物是玉米。这种玉米被称为“Bt玉米”，因为它含有来自苏云金芽孢杆菌(Bt)细菌的基因，提高了玉米对害虫的抵抗力。

1990年代:克隆和转基因生物

1993年:CRISPR原理的发现

CRISPR(成簇的规则间隔短回文重复)的原理是Francisco Mojica在圣保拉沼泽研究细菌时首次发现的。莫吉卡发现，细菌中的一些DNA片段会有规律地重复多次。

在接下来的10年里，莫吉卡继续深入研究这些重复序列，直到2003年，他发现重复的DNA片段与攻击细菌的病毒的DNA片段相匹配。这一发现极大地推动了未来DNA的相关研究，也让CRISPR基因编辑工具成为当今遗传学研究的前沿。

1996年:克隆羊多利

这是科学界历史上流传最广的故事之一。多莉羊是1996年克隆的。作为之一个从成体细胞克隆出具有相同遗传特征的哺乳动物，多利羊是遗传学上的里程碑。

1999年:人类完成之一次染色体测序。

1988年，美国国会资助了人类基因组计划，旨在绘制完整的人类基因组。尽管这项工作直到2003年才完成，但在1999年，参与该项目的科学家证明他们已经完全绘制出了22号染色体的序列。

这是计划的一个里程碑，证明了这个项目投入的时间和精力没有白费。

如今，科学家已经对数千种生物的基因组进行了测序和注释，测序成本大大降低。检测每个人类基因组的成本只有几百美元。

21世纪:从实验室到医院

2001年:首个基因靶向药物疗法获批。

2001年，靶向基因治疗药物格列卫被FDA批准用于治疗慢性粒细胞白血病(CML)，至今仍被作为治疗这种癌症的有效药物。

2006年:FDA批准首个预防性癌症疫苗。

2006年，在利用基因编辑寻找癌症疗法方面取得了突破。Gardasil是之一个进入市场的预防性癌症疫苗。当时只批准9-26岁女性使用，但2009年也批准9-26岁男性使用。

到2018年，Gardasil被批准用于9-45岁的男性和女性。到目前为止，这种HPV疫苗仍然是唯一的预防性癌症疫苗。

2006年:首个诱导多能干细胞(iPSC)

胚胎干细胞具有分化成任何细胞类型的能力。然而，使用干细胞发育疗法需要从IVF胚胎中分离细胞。

2006年，加州大学旧金山分校的shinya yamanaka博士开创了诱导多能干细胞(iPSC)技术。利用这项技术，干细胞可以分化成任何特定的细胞类型。

2010-2020:基因编辑的新时代

2011年:发明了TALEN基因编辑工具

虽然1985年ZFN的发现使基因编辑成为可能，但这项技术需要很长时间才能实现，并且容易出现脱靶效应。

2011年，TALEN基因编辑工具诞生。与ZFN相比，塔伦可以在几天内设计和制造出来。

与ZFN相比，TALEN似乎对基因组位点的限制更少，可以容易地定位在整个基因组中，并且脱靶效应更小，对宿主细胞的毒性更小。

虽然塔伦比ZFN有明显的优势，但他们也表现出一些劣势。例如，TALEN的体积明显大于ZFN，因此更难以在体内递送和表达。

2012年:发明了CRISPR基因编辑工具

2012年，Jennifer Doudna、Emmanuelle Charpentier及其团队阐述了CRISPR技术的生理机制和工作原理。CRISPR基因编辑技术可以用于许多方面，从癌症治疗到肥胖或脱脂奶牛。无论是诊断、治疗还是其他方面，每天都有新的发现来到这个前沿领域。

CRISPR-Cas9本质上是一种细菌适应性免疫系统，它可以通过设计与目标序列互补的指导RNA来编辑DNA。病毒入侵的DNA片段被细菌核酸酶(CRISPR相关蛋白)切割。切断的DNA片段可以用来抵抗未来的病毒入侵。

2015年:用CRISPR编辑人类胚胎

2015年，广州中山大学遗传学家黄军利用CRISPR技术长期编辑人类胚胎。由于黄俊九的实验改变了影响遗传的生殖细胞，被学术界认为不道德，引起很大争议，被西方科学期刊拒绝发表。直到2018年，一些机构才批准了CRISPR相关的人体试验。

2017年:首个癌症CAR T疗法获批。

2017年，两种CAR T细胞疗法获得批准:一种用于儿童急性淋巴细胞白血病，一种用于成人晚期淋巴瘤。

这是CAR T疗法的一大进步。如果治疗被证明如预期般有效，它可能会取代化疗成为癌症治疗的主要形式，因为CAR T对人体无毒，已被证明可以在短短10天内完全消融癌症肿瘤。

2018年:首个CRISPR人体试验获批。

在Vertex Pharmaceuticals和CRISPR Therapeutics的联合倡议中，一种用于地中海贫血的CRISPR疗法已被批准开始临床试验。

2019: Prime编辑让单链切割成为可能

2019年10月，远大研究院刘中达教授的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇关于新型基因编辑工具Prime Editing的论文。

这种新颖的基因编辑技术可以提高编辑准确性，同时减少负面影响。这个工具和CRISPR的不同之处在于，它可以编辑基因而不会导致双链断裂。

2020:属于CRISPR的一年

2020年夏天，CRISPR临床试验结果开始慢慢出现。维多利亚·格雷是之一个接受镰状细胞病治疗的患者，治疗效果非常好。在随后更大规模的试验中，治疗效果依然极佳。

CRISPR在2020年10月成为头条新闻，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna最终因发明CRISPR基因编辑工具获得诺贝尔化学奖。

随着CRISPR技术的逐渐成熟，基因编辑的应用范围会越来越广。这个被人类研究了半个多世纪的领域，终于迎来了爆发期。