生物通報道  過去15年來的基因組革命推動科學、技術和醫學等領域取得了巨大的進展。2001年發布的人類基因組序列以及許多其他物種的基因組序列，為我們提供了細胞完成生命存在必要的各種功能所利用的DNA元件列表。遺傳學和基因組學的后續發展進一步確定了疾病和健康狀態下這些元件組織和發生改變的機制。

盡管獲得了這一有價值的信息資源，這些數據很大程度上僅局限性地告訴了我們有哪些DNA元件存在于基因組中。缺乏觸及基因組以及逐個操控各個元件的工具，無法清楚地闡明每個元件在基因組中的功能。傳統的基因工程方法通常僅限于添加一些DNA片段，不能控制這些DNA整合到細胞中去的位置，因此無法實現對特異DNA序列的編輯。

近年來基于ZFNs、TALENs 和CRISPR/Cas9等可編程核酸酶的基因編輯技術迅速發展，大大地提高了我們精確改變真核細胞基因組的能力。通過構建出更為精確的細胞和動物病理過程模型，基因組編輯提高了我們闡明疾病中遺傳因子所做貢獻的能力。尤其誘人的是，應用可編程核酸酶有潛力直接糾正受累組織和細胞中的遺傳突變，由此來治愈一些疾病（我想了解Sigma-Aldrich的CRISPR/Cas9產品）。

2005年，ZFN介導的基因組編輯被用于糾正導致人類疾病的一些基因突變。這一里程碑式的成果是人們第一次將基因組編輯應用于科學和醫學領域。在隨后的十年里許多的革新不斷提高了ZFNs的效能，然而在ZFNs合成組裝方面存在的一些技術挑戰，以及ZFNs易于對基因組進行非特異性切割或對靶點DNA切割效率低等問題限制了它們的實際應用。

2009年，發現轉錄激活子樣效應因子(transcription activator-like effectors ,TALEs)的DNA識別密碼大大簡化了設計可編程DNA結合蛋白的過程。構建TALE蛋白來靶向新序列通常更直接和成功。因此，在不久之后科學家們將TALEs與FokI結構域融合構建出了可用于基因組編輯的TALE核酸酶(TALENs)。這種方法進一步拓寬了基因組編輯的應用，但仍然需要專門的分子生物學知識來設計、組裝和驗證靶向用戶定義序列的TALE蛋白的編碼基因。

由于無需蛋白質工程學方面的專業知識，新興出現的CRISPR-Cas9基因改變了基因組工程學領域。規律成簇的間隔短回文重復(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPRs)是細菌具有的一種適應性免疫系統：細菌將侵入病毒的短DNA序列作為感染記憶摻入到它們的基因組中去。這些摻入的短外源DNA序列被轉錄為CRISPR RNAs (crRNAs)，它與tracrRNA、Cas9 蛋白形成一種核糖核蛋白復合物。當細胞再度暴露于相同的外源DNA時將通過crRNA的互補堿基配對來識別它，并通過Cas9來完成序列切割可除去這一入侵DNA。當前，這一系統已被廣泛應用于人類細胞、斑馬魚和許多其他的生物。近來有一些研究小組報道利用這一技術成功地糾正了癌癥、艾滋病和一些遺傳疾病中的基因突變。

擔任麻省理工學院腦與認知科學助理教授、McGovern 腦研究所和Broad研究所核心成員的張鋒（Feng Zhang）博士是CRISPR/Cas9技術的先驅之一，近年來取得了一系列突破性的CRISPR/Cas9技術研究成果。去年七月，張鋒還榮獲了美國生物醫學大獎：瓦利基金青年研究家獎（Vallee Foundation Young Investigator Award），獎金25萬美元（延伸閱讀：張鋒博士Cell發布CRISPR研究重要成果）。

在這篇Nature medicine新綜述文章中，他概述了當前開發基于可編程核酸酶的治療方法所取得的一些進展，以及未來的前景及面臨的一些挑戰。

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文摘要：

Therapeutic genome editing: prospects and challenges

Recent advances in the development of genome editing technologies based on programmable nucleases have substantially improved our ability to make precise changes in the genomes of eukaryotic cells. Genome editing is already broadening our ability to elucidate the contribution of genetics to disease by facilitating the creation of more accurate cellular and animal models of pathological processes. A particularly tantalizing application of programmable nucleases is the potential to directly correct genetic mutations in affected tissues and cells to treat diseases that are refractory to traditional therapies. Here we discuss current progress toward developing programmable nuclease–based therapies as well as future prospects and challenges.