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摘要：来自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中国健康出生了一对名叫露露和娜娜的基因编辑双胞胎婴儿。露露和娜娜在出生时，受父母亲的病毒遗传（他们的母亲正常，但父亲患有艾滋病），就有风险感染艾滋病毒，但是为了让他们在出生时就能抵抗艾滋病，科学家对双胞胎的基因（CCR5）进行了编辑，并且最终以胜利告终。这是基因编辑技术。本文将从高中生物学的角度讨论基因编辑在疾病预防和治疗中的作用以及基因治疗的基本方法。
关键词：高中生物；基因编辑；疾病防治
来自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中国健康出生了一对名叫露露和娜娜的基因编辑双胞胎婴儿。露露和娜娜在出生时，受父母亲的病毒遗传（他们的母亲正常，但父亲患有艾滋病），就有风险感染艾滋病毒，但是为了让他们在出生时就能抵抗艾滋病，科学家对双胞胎的基因（CCR5）进行了编辑，并且最终以胜利告终。这是基因编辑技术。本文将从高中生物学的角度讨论基因编辑在疾病预防和治疗中的作用以及基因治疗的基本方法。
1.基因编辑技术
DNA是生物体中最常见的遗传物质。它可以通过自我复制传递稳定的遗传信息并通过DNA-RNA-蛋白的转录和翻译表达遗传信息。如果我们想要改变我们的基因，我们必须操作双链DNA。
所谓的基因编辑是准确鉴定靶DNA片段中的靶核苷酸序列，通过核酸内切酶等方法切割，形成DNA双链断裂，并通过天然修复完成基因敲除，插入和置换。
简而言之，如上图所示，在DNA的双链中切割间隙。当存在间隙时，敲除DNA序列，或插入DNA序列，或替换DNA序列。
这种方法的核心步骤是什么？一般来说，有可称为“三件套”的三个主要环节。
（1）“GPS”：我对中学和高中生物学教科书中提到的基因工程技术中的DNA重组印象深刻（如果我们没法更好地回忆并清楚地记得那就没关系）。那时，重组方法不需要准确地识别目标序列，也就是说，随机切割要筛选需要大量的重组。为快速准确地找到要编辑的位点，基因编辑工具由专门识别目标DNA序列的“GPS”引导，这也就是基因编辑技术的价值，它可以“指哪里到哪里”。
（2）剪刀：识别目标DNA序列的“GPS”导航定位后，需要一种把各种DNA核酸酶当作剪刀来切割双链DNA并形成切口。
（3）“针和线”：不管是敲击、插入还是更换，在切开切口后都需要通过细胞中天然存在的DNA双链断裂修复机制“缝合”切口。细胞连接意外的DNA双链断裂，在自然状态下需要修复机制，这个过程不难想象。
2. 基因编辑技术中隐藏的高中生物知识
（1）免疫板块
首先看一下免疫板块，调查的重点一直是艾滋病。艾滋病是一种HIV攻击T细胞地免疫缺陷疾病。T细胞在骨髓中发育并在胸腺中成熟。它们在特异性免疫中的功能是分泌淋巴因子，识别并呈递抗原，通过递增分化成效应T细胞，从而分解入侵的靶细胞。HIV病毒是RNA病毒和逆转录病毒。感染后HIV病毒和T細胞的数量如何变化？看下面的图片，就能判断出艾滋病病毒感染后这个人的潜伏期有多长，他能活多少年。
根据上图，我们发现艾滋病毒首先出现了一个小高峰，然后遭免疫系统淘汰灭失；后来艾滋病毒再次爆发，这次维持在高位，相反，T细胞先增加后减少。2年为潜伏期，9年为存活时间。
（2）遗传板块
基因编辑技术是编辑CCR5基因，编辑后的基因相当于原始等位基因。限制性内切核酸酶和DNA连接酶在在基因编辑中离不开。为什么淘汰CCR5基因会带来巨大风险？基因和性状之间关系是什么？基因可能能够确定许多性状的特征。譬如，与胚胎发育相关的CXCR4基因相比，CCR5的受体不仅可以作为HIV受体，CCR5的功能和作用还存在许多许多人们还不知道的未知的可能性。[1]
（3）细胞功能板
细胞膜的信息交换功能体现在HIV通过化学本质是蛋白质的CCR5或CXCR4受体这两种受体侵入具有分解入侵靶细胞特点的T细胞。
3. 从高中生物角度分析基因编辑对疾病防治的作用
在不久的将来，最新的基因编辑技术CRISPR将从根本上改变我们的世界，因为科学家可以在疾病的治疗和食物供应等很多方面通过CRISPR精确手术切除多余的DNA片段。然而，人类生殖系统的编辑等许多潜在的风险因素也蕴含其中，我们必须从伦理和人类未来的角度来考虑和取舍。对于一些科学家来说，基因编辑技术创造的可能性似乎无穷无尽。让我们来看看这项技术如何预防和治疗疾病。
（1）癌症有望得到治愈
CRISPR在人体中的应用仍然存在太多的争议，但在癌细胞开始肆虐你的身体之前，这种基因编辑工具能够减少触发癌细胞的基因或改善癌症免疫治疗。2016年，由互联网亿万富翁肖恩帕克资助和宾夕法尼亚大学的科学家领导的CRISPR研究获美国国立卫生研究院批准。这些研究针对三种不同类型的人类癌症。然而由于该研究还未获FDA的批准，结果我们将长期无从知晓。
（2）消灭携带寨卡病毒的埃及伊蚊
根除携带寨卡病毒的埃及伊蚊，虽然已发现几种科学的方法，但我们现在有技术可以确保携带寨卡病毒的蚊子物种可以被最新的基因编辑技术CRISPR独立地杀死。这项技术没问题，但这个想法存在争议。反对意见是蚊子在环境中扮演的角色我们并不完全了解，简单地根除它们，可能导致生态灾难并产生不可预测的可怕后果。当然利用基因编辑技术CRISPR消除当地蚊子应该问题不大，毕竟埃及伊蚊不是北美原产的。反对使用基因编辑技术CRISPR杀死蚊子物种的还有一种声音，那就是可能不经意间产生对这种技术免疫的超级蚊子或者连带着其他昆虫也发现蚊子DNA缺陷的类似问题，届时严重的生态灾难不可避免。
（3）开发更多更好的药物 基因编辑技术CRISPR利用CRISPR精确手术切除多余的DNA片段的技术以提高修复体内细胞的能力可以为我们提供更多更好的药物。拜耳曾经与一家初创发现Cas9技术的公司RISPR Therapeutics签署了一项其目标是利用基因编辑技术CRISPR开发新的药物的协议。其他制药公司纷纷模仿。这就为为稀有疾病，遗传病和制药业革命的药物开发打开了大门奠定了基础。
（4）失明得到治愈
加利福尼亚州索尔克研究、哥伦比亚大学和爱荷华大学于2016年初联合进行的一项研究以及2017年秋天科学家发布了的研究结果，表明他们能够使用CRISPR帮助恢复一些视力，甚至治愈先天性遗传性失明。这种遗传编辑工具在小鼠中用于替代导致健康基因失明的错误基因。虽然这是一个特殊情况，但它表明那些携带导致失明的基因或天生失明的人将来可能重见天日、看到光明。
（5）艾滋病得到根除
为抑制HIV复制并发展为晚期艾滋病，现在抗逆转录病毒药物和有毒化合物被大量患有艾滋病（HIV）这种致命病毒的患者所使用。然而基因编辑技术CRISPR可以像一把剪刀一样准确地剪切体内包括HIV-1 DNA在内的所有遗传密码。这是最近一项涉及小鼠的研究所呈现的研究成果。如果切断DNA，可以阻止病毒复制。这是艾滋病得到根除的重要原因。下一步是研究灵长类动物和人类。[2]
4.基因治疗的主要方式
几种针对由基因突变引起的疾病可能的基因治疗方法不难想到。
（1）体外编辑：近年来流行的CAR-T技术（体外T细胞的病毒转染使其能够识别肿瘤表面的特定蛋白质）以及干细胞的体外编辑，就是体外编辑的典型代表。这种方法听上去比较简单，就是在体外“修复”由于突变而失去功能甚至变成癌症的体内细胞，修复受损的功能后再将它们输注回体内。这种方法的优点是编辑发生在体外，一切都是相对可控的，因为编辑可以筛选，有选择地余地，可以在体内使用纠正好的，纠正不好的可以直接丢掉，不容易出错；缺点是在复杂的缺乏深入研究的情況下，CAR-T的效果仅对血肿有好处，因为血肿的微环境相对简单，干细胞治疗是唯一的方法。因此进展并不是很大，因为干细胞相关疾病复杂的微环境使得干细胞向体内的转化不能起到预期的影响。
（2）体内游离DNA表达：对于由于某些如血友病的疾病，直接的想法是将相关蛋白质不是放进入基因组，而是种到体内的基因中。因为这些疾病是基因突变而缺乏特异性蛋白质引起的。这种想法以外来体的形式在细胞质中自由表达它们，现在最典型的是已经可用的几种被批准的病毒转染基因疗法。相对安全是这种方法的优点。缺点是因为改变基因组往往是不可逆转的，所以在危险的错失距离的情况下后果是严重的，这就是为什么在20世纪90年代后期有许多个死亡案例。此外，一个是游离病毒DNA或概率也就是没有定位的随机插入基因组，另一个是外泌体DNA，不像在分裂中稳定复制的基因组中的DNA那样，可能随着细胞分裂而耗尽，因此治疗可能不是长期的。
（3）体内基因组编辑：这可以消除致病基因并恢复机体功能，可以说是最有前途的基因治疗方法，即直接在体内通过利用基因编辑技术修饰突变体靶DNA。这种方法，最大的问题是安全，优点是可以根除基因突变而缺乏特异性蛋白质引起的疾病，例如不能在体内正常表达凝血八因子的血友病A患者，利用基因编辑技术可以将凝血八因子的基因插入基因组然后就可以正常地表达想表达的。
参考文献
[1]单奇伟，高彩霞.植物基因组编辑及衍生技术最新研究进展[J].遗传，2015.
[2]封志纯.发育医学：全过程整合，全链条创新[J].医学电子杂志，2018，6（1）：15-19.
作者简介：李岑（2001.06-）男，汉族，四川广安人，高三在读，对于生物相关专业具有浓厚的学习兴趣和探究热情。
（作者单位：广安友谊中学实验学校）
关键词：高中生物；基因编辑；疾病防治
来自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中国健康出生了一对名叫露露和娜娜的基因编辑双胞胎婴儿。露露和娜娜在出生时，受父母亲的病毒遗传（他们的母亲正常，但父亲患有艾滋病），就有风险感染艾滋病毒，但是为了让他们在出生时就能抵抗艾滋病，科学家对双胞胎的基因（CCR5）进行了编辑，并且最终以胜利告终。这是基因编辑技术。本文将从高中生物学的角度讨论基因编辑在疾病预防和治疗中的作用以及基因治疗的基本方法。
1.基因编辑技术
DNA是生物体中最常见的遗传物质。它可以通过自我复制传递稳定的遗传信息并通过DNA-RNA-蛋白的转录和翻译表达遗传信息。如果我们想要改变我们的基因，我们必须操作双链DNA。
所谓的基因编辑是准确鉴定靶DNA片段中的靶核苷酸序列，通过核酸内切酶等方法切割，形成DNA双链断裂，并通过天然修复完成基因敲除，插入和置换。
简而言之，如上图所示，在DNA的双链中切割间隙。当存在间隙时，敲除DNA序列，或插入DNA序列，或替换DNA序列。
这种方法的核心步骤是什么？一般来说，有可称为“三件套”的三个主要环节。
（1）“GPS”：我对中学和高中生物学教科书中提到的基因工程技术中的DNA重组印象深刻（如果我们没法更好地回忆并清楚地记得那就没关系）。那时，重组方法不需要准确地识别目标序列，也就是说，随机切割要筛选需要大量的重组。为快速准确地找到要编辑的位点，基因编辑工具由专门识别目标DNA序列的“GPS”引导，这也就是基因编辑技术的价值，它可以“指哪里到哪里”。
（2）剪刀：识别目标DNA序列的“GPS”导航定位后，需要一种把各种DNA核酸酶当作剪刀来切割双链DNA并形成切口。
（3）“针和线”：不管是敲击、插入还是更换，在切开切口后都需要通过细胞中天然存在的DNA双链断裂修复机制“缝合”切口。细胞连接意外的DNA双链断裂，在自然状态下需要修复机制，这个过程不难想象。
2. 基因编辑技术中隐藏的高中生物知识
（1）免疫板块
首先看一下免疫板块，调查的重点一直是艾滋病。艾滋病是一种HIV攻击T细胞地免疫缺陷疾病。T细胞在骨髓中发育并在胸腺中成熟。它们在特异性免疫中的功能是分泌淋巴因子，识别并呈递抗原，通过递增分化成效应T细胞，从而分解入侵的靶细胞。HIV病毒是RNA病毒和逆转录病毒。感染后HIV病毒和T細胞的数量如何变化？看下面的图片，就能判断出艾滋病病毒感染后这个人的潜伏期有多长，他能活多少年。
根据上图，我们发现艾滋病毒首先出现了一个小高峰，然后遭免疫系统淘汰灭失；后来艾滋病毒再次爆发，这次维持在高位，相反，T细胞先增加后减少。2年为潜伏期，9年为存活时间。
（2）遗传板块
基因编辑技术是编辑CCR5基因，编辑后的基因相当于原始等位基因。限制性内切核酸酶和DNA连接酶在在基因编辑中离不开。为什么淘汰CCR5基因会带来巨大风险？基因和性状之间关系是什么？基因可能能够确定许多性状的特征。譬如，与胚胎发育相关的CXCR4基因相比，CCR5的受体不仅可以作为HIV受体，CCR5的功能和作用还存在许多许多人们还不知道的未知的可能性。[1]
（3）细胞功能板
细胞膜的信息交换功能体现在HIV通过化学本质是蛋白质的CCR5或CXCR4受体这两种受体侵入具有分解入侵靶细胞特点的T细胞。
3. 从高中生物角度分析基因编辑对疾病防治的作用
在不久的将来，最新的基因编辑技术CRISPR将从根本上改变我们的世界，因为科学家可以在疾病的治疗和食物供应等很多方面通过CRISPR精确手术切除多余的DNA片段。然而，人类生殖系统的编辑等许多潜在的风险因素也蕴含其中，我们必须从伦理和人类未来的角度来考虑和取舍。对于一些科学家来说，基因编辑技术创造的可能性似乎无穷无尽。让我们来看看这项技术如何预防和治疗疾病。
（1）癌症有望得到治愈
CRISPR在人体中的应用仍然存在太多的争议，但在癌细胞开始肆虐你的身体之前，这种基因编辑工具能够减少触发癌细胞的基因或改善癌症免疫治疗。2016年，由互联网亿万富翁肖恩帕克资助和宾夕法尼亚大学的科学家领导的CRISPR研究获美国国立卫生研究院批准。这些研究针对三种不同类型的人类癌症。然而由于该研究还未获FDA的批准，结果我们将长期无从知晓。
（2）消灭携带寨卡病毒的埃及伊蚊
根除携带寨卡病毒的埃及伊蚊，虽然已发现几种科学的方法，但我们现在有技术可以确保携带寨卡病毒的蚊子物种可以被最新的基因编辑技术CRISPR独立地杀死。这项技术没问题，但这个想法存在争议。反对意见是蚊子在环境中扮演的角色我们并不完全了解，简单地根除它们，可能导致生态灾难并产生不可预测的可怕后果。当然利用基因编辑技术CRISPR消除当地蚊子应该问题不大，毕竟埃及伊蚊不是北美原产的。反对使用基因编辑技术CRISPR杀死蚊子物种的还有一种声音，那就是可能不经意间产生对这种技术免疫的超级蚊子或者连带着其他昆虫也发现蚊子DNA缺陷的类似问题，届时严重的生态灾难不可避免。
（3）开发更多更好的药物 基因编辑技术CRISPR利用CRISPR精确手术切除多余的DNA片段的技术以提高修复体内细胞的能力可以为我们提供更多更好的药物。拜耳曾经与一家初创发现Cas9技术的公司RISPR Therapeutics签署了一项其目标是利用基因编辑技术CRISPR开发新的药物的协议。其他制药公司纷纷模仿。这就为为稀有疾病，遗传病和制药业革命的药物开发打开了大门奠定了基础。
（4）失明得到治愈
加利福尼亚州索尔克研究、哥伦比亚大学和爱荷华大学于2016年初联合进行的一项研究以及2017年秋天科学家发布了的研究结果，表明他们能够使用CRISPR帮助恢复一些视力，甚至治愈先天性遗传性失明。这种遗传编辑工具在小鼠中用于替代导致健康基因失明的错误基因。虽然这是一个特殊情况，但它表明那些携带导致失明的基因或天生失明的人将来可能重见天日、看到光明。
（5）艾滋病得到根除
为抑制HIV复制并发展为晚期艾滋病，现在抗逆转录病毒药物和有毒化合物被大量患有艾滋病（HIV）这种致命病毒的患者所使用。然而基因编辑技术CRISPR可以像一把剪刀一样准确地剪切体内包括HIV-1 DNA在内的所有遗传密码。这是最近一项涉及小鼠的研究所呈现的研究成果。如果切断DNA，可以阻止病毒复制。这是艾滋病得到根除的重要原因。下一步是研究灵长类动物和人类。[2]
4.基因治疗的主要方式
几种针对由基因突变引起的疾病可能的基因治疗方法不难想到。
（1）体外编辑：近年来流行的CAR-T技术（体外T细胞的病毒转染使其能够识别肿瘤表面的特定蛋白质）以及干细胞的体外编辑，就是体外编辑的典型代表。这种方法听上去比较简单，就是在体外“修复”由于突变而失去功能甚至变成癌症的体内细胞，修复受损的功能后再将它们输注回体内。这种方法的优点是编辑发生在体外，一切都是相对可控的，因为编辑可以筛选，有选择地余地，可以在体内使用纠正好的，纠正不好的可以直接丢掉，不容易出错；缺点是在复杂的缺乏深入研究的情況下，CAR-T的效果仅对血肿有好处，因为血肿的微环境相对简单，干细胞治疗是唯一的方法。因此进展并不是很大，因为干细胞相关疾病复杂的微环境使得干细胞向体内的转化不能起到预期的影响。
（2）体内游离DNA表达：对于由于某些如血友病的疾病，直接的想法是将相关蛋白质不是放进入基因组，而是种到体内的基因中。因为这些疾病是基因突变而缺乏特异性蛋白质引起的。这种想法以外来体的形式在细胞质中自由表达它们，现在最典型的是已经可用的几种被批准的病毒转染基因疗法。相对安全是这种方法的优点。缺点是因为改变基因组往往是不可逆转的，所以在危险的错失距离的情况下后果是严重的，这就是为什么在20世纪90年代后期有许多个死亡案例。此外，一个是游离病毒DNA或概率也就是没有定位的随机插入基因组，另一个是外泌体DNA，不像在分裂中稳定复制的基因组中的DNA那样，可能随着细胞分裂而耗尽，因此治疗可能不是长期的。
（3）体内基因组编辑：这可以消除致病基因并恢复机体功能，可以说是最有前途的基因治疗方法，即直接在体内通过利用基因编辑技术修饰突变体靶DNA。这种方法，最大的问题是安全，优点是可以根除基因突变而缺乏特异性蛋白质引起的疾病，例如不能在体内正常表达凝血八因子的血友病A患者，利用基因编辑技术可以将凝血八因子的基因插入基因组然后就可以正常地表达想表达的。
参考文献
[1]单奇伟，高彩霞.植物基因组编辑及衍生技术最新研究进展[J].遗传，2015.
[2]封志纯.发育医学：全过程整合，全链条创新[J].医学电子杂志，2018，6（1）：15-19.
作者简介：李岑（2001.06-）男，汉族，四川广安人，高三在读，对于生物相关专业具有浓厚的学习兴趣和探究热情。
（作者单位：广安友谊中学实验学校）