核酸酶

巨型核酸酶

鋅指核酸酶

鋅指核酸酶是一個經(jīng)過人工修飾的核酸酶，它通過將一個鋅指DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與核酸酶的一個DNA切割結(jié)構(gòu)域融合而產(chǎn)生。通過設(shè)計(jì)鋅指結(jié)構(gòu)域就可以實(shí)現(xiàn)對目的基因的特定DNA序列的靶向切割，這也使得鋅指核酸酶能夠定位于復(fù)雜基因組內(nèi)的獨(dú)特的靶向序列。通過利用內(nèi)源DNA修復(fù)機(jī)制，鋅指核酸酶可用于精確修飾高等生物的基因組。

轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶

TALEN是經(jīng)過基因工程改造后的可以切割特定DNA序列的限制酶。TALEN是通過將一個TAL效應(yīng)子DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與核酸酶的一個DNA切割結(jié)構(gòu)域融合而獲得的。TALENs可以被設(shè)計(jì)成與幾乎任何所需的DNA序列結(jié)合，因此當(dāng)與核酸酶結(jié)合時，DNA可以在特定位置進(jìn)行切割 。

成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)

活性核酸酶的脫靶效應(yīng)可能會在遺傳和生物水平上產(chǎn)生潛在的危險。研究發(fā)現(xiàn)，ZFNs往往比TALEN方法或CRISPR-Cas具有更多的細(xì)胞毒性，而TALEN和CRISPR-Cas的方法往往具有最高的效率和較少的脫靶效應(yīng) [9] 。這些核酸酶中，TALEN方法精確度最高 [8] 。

基因編輯已經(jīng)開始應(yīng)用于基礎(chǔ)理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用中，這些研究和應(yīng)用，有助于生命科學(xué)的許多領(lǐng)域，從研究植物和動物的基因功能到人類的基因治療。

基因編輯和牛體外胚胎培養(yǎng)等繁殖技術(shù)結(jié)合，允許使用合成的高度特異性的內(nèi)切核酸酶直接在受精卵母細(xì)胞中進(jìn)行基因組編輯。 CRISPR -Cas9進(jìn)一步增加了基因編輯在動物基因靶向修飾的應(yīng)用范圍。CRISPR-Cas9允許通過細(xì)胞質(zhì)直接注射（CDI）從而實(shí)現(xiàn)對哺乳動物受精卵多個靶標(biāo)的一次性同時敲除（KO） 。細(xì)胞基因表達(dá)分析已經(jīng)解決了人類發(fā)育的轉(zhuǎn)錄路線圖，從中發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵候選基因用于功能研究。使用全基因組轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，基于CRISPR的基因組編輯工具使得干擾或刪除關(guān)鍵基因以闡明其功能成為可能 。

植物基因的靶向修飾是基因編輯應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。首先可以通過修飾內(nèi)源基因來幫助設(shè)計(jì)所需的植物性狀。例如，可以通過基因編輯將重要的性狀基因添加到主要農(nóng)作物的特定位點(diǎn)，通過物理連接確保它們在育種過程中的共分離 ，這又稱為“性狀堆積”。其次，可以產(chǎn)生耐除草劑作物。比如，使用ZFN輔助的基因打靶，將兩種除草劑抗性基因（煙草乙酰乳酸合成酶SuRA和SuRB）引入作物 [13] 。再次，可以用來防治各種病害如香蕉的條紋病毒 。此外，基因編輯技術(shù)還被應(yīng)用于改良農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，比如改良豆油品質(zhì) 和增加馬鈴薯的儲存潛力。2019年8月27日，美國科學(xué)家借助基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9，制造出了第一種經(jīng)過基因編輯的爬行動物——一些小型白化蜥蜴，這是該技術(shù)首次用于爬行動物。由于白化病患者經(jīng)常有視力問題，因此，最新突破有助于研究基因缺失如何影響視網(wǎng)膜發(fā)育。

未來發(fā)展前景

未來的一個重要目標(biāo)必須是提高核酸酶的安全性和特異性，提高檢測脫靶事件的能力，掌握預(yù)防方法。ZFNs中使用的鋅指很少完全特異，有些還可能引起毒性反應(yīng)。對ZFN的切割結(jié)構(gòu)域進(jìn)行修飾可以降低毒性 [17] 。

此外，要加強(qiáng)對DNA重組和DNA修復(fù)機(jī)制的認(rèn)識。CRISPR的簡易性和低成本，使得其獲得廣泛的研究和應(yīng)用。由于其精確性和效率，CRISPR和TALEN都有望成為大規(guī)模生產(chǎn)中的選擇。

“使用生物技術(shù)，我們將能夠治愈許多疾病和延長我們的壽命，但這些新技術(shù)也可能給人類造成比大規(guī)模殺傷性武器更大的危險”“人類基因組計(jì)劃”（HGP）與“曼哈頓原子彈計(jì)劃”、“阿波羅登月計(jì)劃”并稱為人類自然科學(xué)史上的三大計(jì)劃。今年6月26日，美國總統(tǒng)克林頓與英國首相布萊爾通過衛(wèi)星傳送聯(lián)合宣布了人類歷史上第一個基因組草圖繪制完成的消息，給全世界造成了巨大地震動。 世界各國在慶賀這一“有史以來最大的科學(xué)成就”時，普遍表現(xiàn)出了審慎的態(tài)度：這個重大突破會不會像原子物理學(xué)一樣用于戰(zhàn)爭？其潛在的可能性很值得憂慮。“可以拯救生命的發(fā)現(xiàn)有可能帶來危險的濫用”，美國總統(tǒng)克林頓在3年前所說的這句話在今天看來并非危言聳聽。基因既能造福人類，也有可能制成基因武器給人類帶來滅頂之災(zāi)。在民族主義和種族清洗死灰復(fù)燃的這個時代，我們對濫用人類基因組知識的行為萬不可掉以輕心。

基因武器就是運(yùn)用遺傳工程技術(shù)，按人們的需要，在一些致病細(xì)菌或病毒中，接入能對抗普通疫苗或藥物的基因，產(chǎn)生具有顯著抗藥性的致病菌；或者在一些本來不會致病的微生物體內(nèi)接入致病基因，而制造出新的生物制劑。一句話，就是用DNA重組技術(shù)改變細(xì)菌或病毒，使不致病的成為有致病的，可用疫苗或藥物預(yù)防和救治的疾病，變得難于預(yù)防和治療。

基因武器可以根據(jù)人類的基因特征選擇某一種族群體作為殺傷對象。因此，科學(xué)家們也稱這種“只對敵方具有殘酷殺傷力，而對己方毫無影響”的新型生物武器為“種族武器”。按照美國國家人類基因組研究中心的報告，由多國聯(lián)手開展的人類基因組計(jì)劃，預(yù)計(jì)于2003年完成，屆時將可排列出組成人類染色體的30 億個堿基對的DNA序列，揭開生命與疾病之謎。一旦不同種群的DNA被排列出來，就可以生產(chǎn)出針對不同人類種群的基因武器。

英國布拉德福德大學(xué)馬爾科姆·丹多教授曾言：

【“人們可以寄希望于滅絕種族的特種基因武器永遠(yuǎn)不能成為現(xiàn)實(shí)，但如果以為造不出這種武器或者說不可能精確命中，那是愚蠢的。”】

如同任何高新技術(shù)都很快被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域一樣，當(dāng)基因工程剛一問世，一些軍事大國便置1972年各國締結(jié)的“禁止生物武器公約”于不顧，競相投入大量的經(jīng)費(fèi)和人力研究基因武器。美國作家、科技記者查爾斯·皮勒在《基因戰(zhàn)爭》一書中透露，西方一些國家已制定了研制基因武器的計(jì)劃，這些國家以研制疫苗為名進(jìn)行著危險的傳染病和微生物研究。今年人類第一個基因組草圖完成以后，世界各國對生物和基因研究的關(guān)注再次升溫，美、英、德、日等國紛紛加大了對基因工程的投資。

據(jù)披露，美國政府今年用于生物工程研究的經(jīng)費(fèi)為20億美元。據(jù)報道，位于馬里蘭州的美國軍事醫(yī)學(xué)研究所，其實(shí)就是基因武器研究中心，那里的研究人員已經(jīng)研制了一些具有實(shí)戰(zhàn)價值的基因武器。他們在普通釀酒菌中接入一種在非洲和中東引起可怕的裂各熱細(xì)菌的基因，從而使釀酒菌可以傳播裂各熱病。另外，據(jù)說美國已完成了把具有抗四環(huán)素作用的大腸桿菌遺傳基因與具有抗青霉素作用的金色葡萄球菌的基因拼接，再把拼接的分子引入大腸桿菌中，培養(yǎng)出具有抗上述兩種殺菌素的新大腸桿菌。

據(jù)英國國防部透露，英國政府轄下的化學(xué)及生物防疫中心的科學(xué)家們正運(yùn)用基因工程技術(shù)做深入研究，就基因殺人“蟲”（Gmsupergerms）發(fā)展的可能性進(jìn)行試驗(yàn)。雖然英國政府對于基因殺人“蟲”的研究秘而不談，但英國報章指政府秘密進(jìn)行這項(xiàng)研究至少已有5年。

英國《星期日泰晤士報》曾于1998年9月披露一則秘聞： 為了報復(fù)伊拉克的導(dǎo)彈襲擊，以色列軍方正在加緊研制一種專門對付阿拉伯人而對猶太人沒有危害的基因武器———“人種炸彈”。“人種炸彈”的研制計(jì)劃由以色列的尼斯提茲尤納生物研究院負(fù)責(zé)，該研究院是以色列研制生化武器的秘密中心。雖然目前基因病毒尚未研制出來，但據(jù)《簡氏防務(wù)周刊》報道，以色列科學(xué)家利用南非“染色體武器”的某些研究成果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了阿拉伯人、特別是伊拉克人的基因構(gòu)成。

美國塞萊拉基因組公司董事長克雷洛·文特爾警告說：

【“人類掌握了能夠?qū)ψ陨磉M(jìn)行重新設(shè)計(jì)的基因草圖以后，人類也就走到了自身命運(yùn)的最后邊界。”】

與造價昂貴的大規(guī)模殺傷性武器相比，殺人不見血的基因武器有著許多無可比擬的優(yōu)勢。一是成本低，殺傷能力強(qiáng)。有人估算，用5000萬美元建造一個基因武器庫，其殺傷效能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50億美元建造的核武器庫。英格蘭北部布拉德福德大學(xué)馬爾科姆·丹多教授在《生物技術(shù)武器與人類》一書中說，只要用多個罐子把100公斤的炭疽芽胞散播在一個大城市，300萬市民就會立即感染斃命。據(jù)稱，美國曾利用細(xì)胞中的脫氧核糖核酸的生物催化作用，把一種病毒的DNA分離出來，再與另一種病毒的DNA相結(jié)合，拼接成一種具有劇毒的“熱毒素”基因毒劑，用其萬分之一毫克就能毒死100只貓。

經(jīng)過改造的病毒和病菌基因就像一把特制的鎖，只有研制者才知道它的密碼，即使清楚敵人使用了基因武器，要查清病毒來源與屬性也需要很長的時間。1995年，當(dāng)美國西南部流行一種名為hantavirus的病毒時，美國科學(xué)家動用了世界上最先進(jìn)的研究手段，用了5天時間才查明病毒屬性，找出抗病毒方法。

雖然在技術(shù)上還有許多難題，但基因武器一旦出現(xiàn)，其戰(zhàn)略威力將比核武器還要大，因?yàn)閾碛羞@種武器的人不必顧慮對自己及對地球整體環(huán)境的破壞。基因武器的使用者再也不必興師動眾，而只需在戰(zhàn)前將基因病菌投入他國地域，或利用飛機(jī)、導(dǎo)彈等將帶有致病基因的微生物投入他國地域，讓病毒自然擴(kuò)散、繁殖，就會使敵方人畜在短時間內(nèi)患一種無法治療的疾病，從而喪失戰(zhàn)斗力。基因武器的特有功能之一，就是從武器的使用到發(fā)生作用都沒有明顯征候，即使敵方發(fā)現(xiàn)了也難以破解遺傳密碼和實(shí)施控制，所以，基因武器一旦使用，便會使敵方某種程度上束手無策，坐以待斃。

其實(shí)，人們早就認(rèn)識到了遺傳基因工程有被濫用的可能。1972年聯(lián)合國即通過了“禁止試制、生產(chǎn)及銷毀細(xì)菌（生物）和毒劑武器公約”，1975年聯(lián)合國再次通過了決議，“禁止使用生物化學(xué)武器”，但少數(shù)國家發(fā)展生物武器的步伐卻一天也沒有停止過。。