2025年5月15日，美国《新英格兰医学杂志》刊登了全球首例通过定制CRISPR基因编辑疗法治疗婴儿罕见病的报道。该则报道标志着基因编辑技术向个性化医疗迈进的重要一步，也为未来多种罕见病的治愈带来了新的希望。
基因编辑（Gene Editing），是指使用基因编辑技术对生物体基因组的特定序列进行修饰的过程，通过高效而精准的插入、缺失或替换基因序列，从而改变其遗传信息和表现型特征。作为人类21世纪最伟大的生物医学突破之一，其发展也经历坎坷曲折，才最终形成如今能进行个性化医疗的局面。如果你想要了解基因编辑技术发展简史，就跟着我们一起走进基因编辑的世界吧！本期开始，我们将全面解析基因编辑技术的演进与实验设计方法，干货满满，助你科研路上少走弯路！
第一代基因编辑技术 ZFNs
锌指核酸酶技术（Zinc-finger nucleases, ZFNs），起源于1984年Aaron Klug实验室进行非洲爪蟾卵母细胞转录因子IIIA的研究中发现，因其为锌配位的手指状结构而得名锌指蛋白。在1996年，Dana Carroll和Carl Pabo等人合作，首次将锌指DNA结合结构域和FokI核酸酶的切割结构域结合，开发出具有序列特异性切割能力的ZFN。这项研究被认为是ZFN技术的正式创立。
Cys2His2锌指蛋白的锌手指结构图
（来自作者Thomas Splettstoesser）
ZFN由三个锌指蛋白单元和一个非特异性FokI核酸内切酶组成。其原理是通过每一个“锌指”可以识别特定的3个碱基，而多个锌指连接在一起可以识别更长的特定DNA序列而实现（通常3–6个锌指识别9–18个碱基）。当两个ZFN分别与目标基因两条链上间隔5-7bp的靶序列结合后，FoKI形成二聚体，进而激活FokI核酸内切酶的剪切结构域，断裂DNA双链，从而使目标基因丧失作用。
ZFNs原理图
（来自Matthew H Porteus and Dana Carroll, 2005）
该技术在2002年被来自美国犹他大学Dana Carroll实验室率先证明，即可以利用锌指蛋白+核酸酶的组合破坏果蝇体内的基因。之后更是成功应用于斑马鱼、大鼠、小鼠等动物的遗传研究，并于2005年首次实现了对人类细胞基因的定点修饰。然而其需要筛选特定的锌指蛋白与靶基因识别，耗时长，成本极高，基因脱靶率高，且具有一点的细胞毒性，再加上Sangamo公司对于专利技术的锁定，因此该技术自发现以来并未得到大规模的应用。
第二代基因编辑技术 TALENs
转录激活效应因子样核酸酶技术（Transcription Activator-Like Effector Nucleases, TALENs）的核心基础是植物病原菌黄单胞菌（Xanthomonas）分泌的TAL效应蛋白（TAL effectors）。TALE蛋白在1989年被科学家从Xanthomonas中分离。2007年，Kay等人发现Xanthomonas致病菌可以将合成的TALE蛋白（AvrBs3）注入宿主细胞内，进一步研究发现这类蛋白能够特异性识别宿主DNA序列，帮助细菌调控植物基因表达。
在2009年更是取得重大突破，Boch和Moscou等人破解了TALE蛋白识别DNA的规则。即每个TALE蛋白的34个高度保守的氨基酸序列中，第12和13位氨基酸（又称为重变异双残基（RVDs））识别一个特定碱基（如NI识别A、HD识别C、NG识别T、NN识别G）。因此就可以设计一串的TALEs以结合任意一段序列，将其与核酸内切酶结合，即可准确的读取基因序列并切断目标位点。
利用TALEN蛋白进行基因敲除的原理[1]
2011年，李伟团队和Mahfouz团队几乎同时独立报道了TALENs技术的首次成功应用，他们分别将天然TALE蛋白（AvrBs3）C’端的转录激活子替换为FokI核酸酶，在斑马鱼和拟南芥上取得良好的成果。之后陆续成功应用于水蚤、鼠、牛等物种的遗传研究，并实现了基因组定点突变。TALENs技术相比于ZFNs技术整体变得更为简单，改善了ZFNs技术易脱靶的问题，已经被全球范围内各实验室使用。但依旧存在一定的细胞毒性，以及模块组装过程繁琐等问题，无法作为通用性技术，因此科学家还在探索更通用、高效的基因编辑技术。
以上就是第一代和第二代基因编辑技术的发展历程，与此同时，还有一种新兴的技术正在悄然崛起，于2012年惊艳世人——CRISPR/Cas9第三代基因编辑技术。那么第三代技术的起源、发展历程又是怎么样的呢？下期近岸蛋白将带领你继续探索基因编辑的世界！接下来我们将陆续给大家带来基因编辑详细的技术介绍、解决方案以及试剂支持，敬请关注，下期不见不散~
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近岸蛋白的T7 Endonuclease I（Cat.No.:M017）能有效检测ZFNs、TALENs、CRISPR/Cas9等基因编辑之后形成的突变体，识别切割效率高，是基因编辑检测的不二之选！
图例：T7E1法检测突变体。泳道1：野生型条带700bp；泳道2：突变型条带700bp；泳道3：野生型条带与突变型条带退火，产生T7EI切割条带300bp+400bp。
参考文献
[1]张金脉,任兆瑞. TALENs:一种新的基因定点修饰技术 [J]. 生命科学, 2013, 25 (01): 126-132. DOI:10.13376/j.cbls/2013.01.021.