前不久，一则"基因编辑婴儿诞生"的新闻发布网络，立时引发社会各界热议。基因是生命的遗传因子，支撑着生命的基本构造和性能，这么"深不可测"的"物体"也可以被编辑和修改吗？事实上，<strong>"基因编辑"是一种非常重要的植物育种方式，在生物科学领域被誉为"里程碑式突破"。

电子科技大学张勇教授

<strong>"基因剪刀"的发展与进化

目前，人类所用的植物育种方式主要有"杂交选育"、"转基因"和"基因修饰"三种。其中，"杂交选育"以袁隆平院士的"超级稻"为代表，普遍成功的周期相对较长，获得一个新品种需要几年甚至十几年不等；"转基因"方法由于会引入"外源基因"，存在许多不确定性，并受到社会的强烈质疑；相对来说，"基因修饰"虽然也要编辑基因，但不会涉及"外源基因"，不存在物种之间的跨界风险，而且，"基因修饰"可以充分利用植物自身的基因修复功能，是突变效果更好、选育效率更高且比较安全的一种方式。

自2012年以来，基因组编辑技术多次被Science、Nature期刊评为"年度突破"、"年度技术"，被学界公认为是生物科学领域的里程碑式突破。<strong>而要编辑基因，就需要找到一种干净利落的"基因剪刀"——即生物科学领域为人熟知的酶。

越要精确地编辑DNA，对"基因剪刀"和"刀法"的要求也就越高，其改进和升级也将为整个基因编辑领域带来解放和飞跃。因此，各国科学家都在不断探寻着突破点。

1996年，第一代"基因剪刀"锌指核糖核酸酶(ZFN)被发现，基因编辑步入发展快车道；

2010年，第二代"基因剪刀"转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）实现了基因的敲除、敲入或转录激活等功能，被视为靶向基因组编辑的一座里程碑；

2012年，第三代"基因剪刀"CRISPR技术横空出世，开辟了基因编辑的新纪元。

<strong>由第三代"基因剪刀"引发的构想

要深入解析电子科技大学张勇教授团队的成果，我们首先需要详细了解第三代"基因剪刀"。时间回到2013年1月，<strong>美国的两个实验室在《Science》杂志发表了基于CRISPR-Cas9技术在细胞系中进行基因敲除的新方法。该技术被迅速运用到基因敲除小鼠和大鼠动物模型的构建之中。

2015年，《Cell》报道了CRISPR-Cpf1核酸酶（一种2类CRISPR-Cas系统）在人源细胞的工作，这让长期关注基因编辑问题的张勇教授团队眼前一亮。<strong>团队主要成员、生命学院2015级博士生唐旭提出构想，"如果CRISPR-Cpf1能够有效在植物基因组编辑中广泛使用，将给植物基因功能研究、新材料培育应用提供又一分子操作利器。"

<strong>电子科大"一师一生"联手合作

随后不久，张勇教授课题组便携手美国马里兰大学Yiping Qi博士课题组、扬州大学张韬教授课题组、美国明尼苏达大学Daniel Voytas教授课题组，对此立即开展研究。

有趣的是，<strong>张勇教授2006年博士毕业后，加入电子科技大学，在信息生物学研究方面经验丰富，而张韬教授是电子科技大学2012届博士毕业生；

团队主要成员、电子科大2009级学生唐旭

<strong>8个月潜心实验却不见曙光

然而，动物和植物细胞在基因组结构、基因表达特性等方面存在巨大差别，因此实现CRISPR-Cpf1系统在植物细胞中的有效基因组编辑是个重大挑战。近8个月的时间里，团队主要研究工作没有取得明显进展。此时，由于CRISPR-Cpf1受关注度越来越高，激烈的竞争难以避免，<strong>据团队所知，全球至少有5至10个实力强劲的植物基因组编辑研究团队同时在开展Cpf1相关研究。

这无异于一场科研"竞速赛"，因为一旦其他团队赶在前面发表研究成果，他们的研究将变得毫无价值。意识到这一点后，团队立刻改变了一时的低迷状态，全新起航。他们不断尝试各种方案，并一株一株地检测经过编辑的水稻植株的基因突变效率。

<strong>在这场科研"竞速赛"中夺冠

2016年6月，在深入分析前期研究策略及所获数据基础上，课题组采取了有别于传统动、植物基因表达的实验策略，通过CRISPR-Cpf1表达系统中核酶元件引入、密码子优化、顺式元件重新编制等从头设计，构建了全新的CRISPR-Cpf1植物表达系统。<strong>终于，团队主要成员、电子科大2009级学生唐旭等来了久候的结果：在测试的3个水稻内源基因的6个CRISPR-Cpf1核酸酶编辑位点中，T0再生植株的定向修饰效率均达到100%，且几乎所有定向修饰类型都为双等位突变；在拟南芥中测试了两种CRISPR-Cpf1核酸酶用于抑制基因转录的研究，成功将mir159b的转录水平降低了10倍以上。

这是一个令人惊奇的结果！<strong>虽然在此前后已经传来一些"不同的声音"——有报道显示其他同行的同类研究证明，CRISPR-Cpf1核酸酶在植物基因编辑中的"效果不明显"。但基于实验数据，团队充满信心。

引领性研究工作只有第一、没有第二，这场无形的"竞速赛"依然在紧张地进行——他们必须第一个发表研究成果！团队协调动员所有合作单位，在两国四地实验室涉及遗传元件构建、植物材料转化、高通量测序、生物信息大数据分析的实验资源投入工作。<strong>在手稿完成前后1周，尽管已有3篇关于植物CRISPR-Cpf1的论文在线或被接受发表在相关期刊上，但团队成员凭借高度原创性工作，仍然获得在植物科学类顶级期刊《Nature Plants》进行首刊投稿的肯定！

<strong>成为当时《Nature Plants》创刊以来最受关注的研究论文

2017年2月，论文以《A CRISPR–Cpf1 system for efficient genome editing and transcriptional repression in plants》为题首次发表，唐旭为论文第一作者，张勇教授为共同通讯作者，电子科技大学生命科学与技术学院/信息生物学研究中心为第一单位和通讯单位。<strong>这是学校在校博士生以第一作者身份在该期刊上发表的首篇论文，

论文在线发表2周内，下载阅读量超8000次，<strong>是当时《Nature Plants》创刊以来最受关注的研究论文；随后《Nature Plants》杂志发表评论文章，重点介绍了张勇教授团队的植物CRISPR-Cpf1核酸酶定向编辑系统的研究工作。同样，该项研究成果在国内也引起了密切关注，其中文介绍在"生物360"（国内中文生命科学研究进展方面最全面的门户网站）上刊出几日后，资源点击率已经超过2500次。

对张勇教授团队来说，此次研究成果只是个开端。针对植物基因组编辑基础研究及应用实践中，如何有效进行CRISPR-Cas核酸酶脱靶效应评价的科学问题，<strong>张勇教授率领团队继续深入探索，并于2018年3月在基因组学国际权威期刊《Genome Biology》发表相关论文。展望未来，可想而知，通过基因工程等分子层面的育种方式是科技发展的大势趋，"基因剪刀"有望真正造福于人！

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素材来自电子科技大学官网

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