疾病的基因治疗技术

陈功友

上海交通大学农业与生物学院

教授

邵正尧

上海交通大学生命科学技术学院

本科生

陆冬锐

上海交通大学巴黎高科学院

本科生

方　菁

上海交通大学生环平台本科生

1　概要描述

1.1　动植物（人）疾病的发生

动植物（人）在生长发育过程中，由于自身遗传的缺陷或者基因变异（疾病发育基因），或者受到病原微生物的侵染（转录因子过量或低量表达导致疾病发育基因不正常表达），或者营养元素的过量摄入（疾病发育基因表达），导致动植物（人）疾病产生（见图1）。传统的动植物（人）疾病治疗，主要是阻断病原物的侵染（使用抗生素或者隔离）或者引入干扰素降低疾病发育基因的表达，而对于癌症和遗传缺陷型疾病，人类似乎还没有很多办法。飞速发展的现代科学技术揭示，动植物（人）疾病发生都与基因密切相关。因此，从基因水平上探测和分析疾病的起因，从基因水平上通过基因治疗（gene therapy），将成为未来动植物（人）疾病精准治疗的方向。

图1　动植物（人）疾病发生基本元件

1.2　动植物（人）疾病的基因治疗

生物学中心法则揭示，动植物（人）疾病的发生，要么是疾病发育基因表达的结果（包括正常基因突变），要么是转录因子（包括微生物来源的）结合在疾病发育基因的启动子上使疾病发育基因表达的结果，要么是转录因子需要借助化合物形成复合体启动疾病发育基因转录表达。能否有一种工具，像手术刀一样，把疾病基因启动子被转录因子结合的元件切除（见图2（a））或则切除疾病编码基因（见图2（b）），阻止疾病基因表达，从而基因治疗动植物疾病。以目前的生物技术发展速度推测，发展这种手术刀技术进行疾病治疗已为时不远，主要原因是：

图2　动植物（人）疾病治疗示意图

（1）TALEN技术：2011年TALEN技术被评为十大科学发现之一。其主要原理是，引起植物疾病的黄单胞菌TAL蛋白，结合DNA密码被破译，在其基础上发展为TALEN手术刀（见图3）。通过转基因技术把手术刀置于植物和动物体内，待目标DNA被修饰后，再把手术刀取回。修饰的动植物可以健康生长。

图3　TALEN手术刀

（2）CRISPR/Case 9技术：2012年CRSIPR/Case 9技术被评为十大科学发现之一。其基本原理是CRISPR/Cas 9利用一段先导小RNA来识别并剪切DNA以达到DNA被剪切的目的（见图4）。CRSIPR/Case 9技术被发现后其实用性迅速取代了TALEN技术，因为其操作性更方便。

图4　CRISPR/Case 9技术

（3）病毒学载体技术：虽然病毒可以引起动植物（人）疾病，但遗传重组的病毒因去除了引起疾病的因子，可以将TALEN或CRISPR/Case 9中的合理部分重组，发展为有关像口服液或者输液等途径从而达到治疗疾病的目的，从而实现疾病治疗的精准化和个性化。

2　应用前景

受植物病毒基因沉默和TALEN技术以及微生物的CRISPR/Case 9技术启发，未来的动植物（人）疾病的基因治疗，一定是朝向简便、精准和个性化方向发展，以保护生命的完整性为基本出发点，能够像打靶一样，对于疾病发育基因进行精准遗传修饰；以个体基因组学为参照，实现动植物疾病的个性化治疗，并且在疾病发育早期进行精准诊断。动植物（人）疾病的新的基因治疗技术，不仅是生命学领域的重大突破引擎，也是未来最为重要且最有影响力的高新技术之一，将为每个生命个体的精准化和个性化治疗提供可能，也不将有大量的抗生素（化学农药）的应用而导致的环境污染。