前不久，一則"基因編輯嬰兒誕生"的新聞發佈網絡，立時引發社會各界熱議。基因是生命的遺傳因子，支撐著生命的基本構造和性能，這麼"深不可測"的"物體"也可以被編輯和修改嗎？事實上，<strong>"基因編輯"是一種非常重要的植物育種方式，在生物科學領域被譽為"里程碑式突破"。

電子科技大學張勇教授

<strong>"基因剪刀"的發展與進化

目前，人類所用的植物育種方式主要有"雜交選育"、"轉基因"和"基因修飾"三種。其中，"雜交選育"以袁隆平院士的"超級稻"為代表，普遍成功的週期相對較長，獲得一個新品種需要幾年甚至十幾年不等；"轉基因"方法由於會引入"外源基因"，存在許多不確定性，並受到社會的強烈質疑；相對來說，"基因修飾"雖然也要編輯基因，但不會涉及"外源基因"，不存在物種之間的跨界風險，而且，"基因修飾"可以充分利用植物自身的基因修復功能，是突變效果更好、選育效率更高且比較安全的一種方式。

自2012年以來，基因組編輯技術多次被Science、Nature期刊評為"年度突破"、"年度技術"，被學界公認為是生物科學領域的里程碑式突破。<strong>而要編輯基因，就需要找到一種乾淨利落的"基因剪刀"——即生物科學領域為人熟知的酶。

越要精確地編輯DNA，對"基因剪刀"和"刀法"的要求也就越高，其改進和升級也將為整個基因編輯領域帶來解放和飛躍。因此，各國科學家都在不斷探尋著突破點。

1996年，第一代"基因剪刀"鋅指核糖核酸酶(ZFN)被發現，基因編輯步入發展快車道；

2010年，第二代"基因剪刀"轉錄激活因子樣效應物核酸酶（TALEN）實現了基因的敲除、敲入或轉錄激活等功能，被視為靶向基因組編輯的一座里程碑；

2012年，第三代"基因剪刀"CRISPR技術橫空出世，開闢了基因編輯的新紀元。

<strong>由第三代"基因剪刀"引發的構想

要深入解析電子科技大學張勇教授團隊的成果，我們首先需要詳細瞭解第三代"基因剪刀"。時間回到2013年1月，<strong>美國的兩個實驗室在《Science》雜誌發表了基於CRISPR-Cas9技術在細胞系中進行基因敲除的新方法。該技術被迅速運用到基因敲除小鼠和大鼠動物模型的構建之中。

2015年，《Cell》報道了CRISPR-Cpf1核酸酶（一種2類CRISPR-Cas系統）在人源細胞的工作，這讓長期關注基因編輯問題的張勇教授團隊眼前一亮。<strong>團隊主要成員、生命學院2015級博士生唐旭提出構想，"如果CRISPR-Cpf1能夠有效在植物基因組編輯中廣泛使用，將給植物基因功能研究、新材料培育應用提供又一分子操作利器。"

<strong>電子科大"一師一生"聯手合作

隨後不久，張勇教授課題組便攜手美國馬里蘭大學Yiping Qi博士課題組、揚州大學張韜教授課題組、美國明尼蘇達大學Daniel Voytas教授課題組，對此立即開展研究。

有趣的是，<strong>張勇教授2006年博士畢業後，加入電子科技大學，在信息生物學研究方面經驗豐富，而張韜教授是電子科技大學2012屆博士畢業生；

團隊主要成員、電子科大2009級學生唐旭

<strong>8個月潛心實驗卻不見曙光

然而，動物和植物細胞在基因組結構、基因表達特性等方面存在巨大差別，因此實現CRISPR-Cpf1系統在植物細胞中的有效基因組編輯是個重大挑戰。近8個月的時間裡，團隊主要研究工作沒有取得明顯進展。此時，由於CRISPR-Cpf1受關注度越來越高，激烈的競爭難以避免，<strong>據團隊所知，全球至少有5至10個實力強勁的植物基因組編輯研究團隊同時在開展Cpf1相關研究。

這無異於一場科研"競速賽"，因為一旦其他團隊趕在前面發表研究成果，他們的研究將變得毫無價值。意識到這一點後，團隊立刻改變了一時的低迷狀態，全新起航。他們不斷嘗試各種方案，並一株一株地檢測經過編輯的水稻植株的基因突變效率。

<strong>在這場科研"競速賽"中奪冠

2016年6月，在深入分析前期研究策略及所獲數據基礎上，課題組採取了有別於傳統動、植物基因表達的實驗策略，通過CRISPR-Cpf1表達系統中核酶元件引入、密碼子優化、順式元件重新編制等從頭設計，構建了全新的CRISPR-Cpf1植物表達系統。<strong>終於，團隊主要成員、電子科大2009級學生唐旭等來了久候的結果：在測試的3個水稻內源基因的6個CRISPR-Cpf1核酸酶編輯位點中，T0再生植株的定向修飾效率均達到100%，且幾乎所有定向修飾類型都為雙等位突變；在擬南芥中測試了兩種CRISPR-Cpf1核酸酶用於抑制基因轉錄的研究，成功將mir159b的轉錄水平降低了10倍以上。

這是一個令人驚奇的結果！<strong>雖然在此前後已經傳來一些"不同的聲音"——有報道顯示其他同行的同類研究證明，CRISPR-Cpf1核酸酶在植物基因編輯中的"效果不明顯"。但基於實驗數據，團隊充滿信心。

引領性研究工作只有第一、沒有第二，這場無形的"競速賽"依然在緊張地進行——他們必須第一個發表研究成果！團隊協調動員所有合作單位，在兩國四地實驗室涉及遺傳元件構建、植物材料轉化、高通量測序、生物信息大數據分析的實驗資源投入工作。<strong>在手稿完成前後1周，儘管已有3篇關於植物CRISPR-Cpf1的論文在線或被接受發表在相關期刊上，但團隊成員憑藉高度原創性工作，仍然獲得在植物科學類頂級期刊《Nature Plants》進行首刊投稿的肯定！

<strong>成為當時《Nature Plants》創刊以來最受關注的研究論文

2017年2月，論文以《A CRISPR–Cpf1 system for efficient genome editing and transcriptional repression in plants》為題首次發表，唐旭為論文第一作者，張勇教授為共同通訊作者，電子科技大學生命科學與技術學院/信息生物學研究中心為第一單位和通訊單位。<strong>這是學校在校博士生以第一作者身份在該期刊上發表的首篇論文，

論文在線發表2周內，下載閱讀量超8000次，<strong>是當時《Nature Plants》創刊以來最受關注的研究論文；隨後《Nature Plants》雜誌發表評論文章，重點介紹了張勇教授團隊的植物CRISPR-Cpf1核酸酶定向編輯系統的研究工作。同樣，該項研究成果在國內也引起了密切關注，其中文介紹在"生物360"（國內中文生命科學研究進展方面最全面的門戶網站）上刊出幾日後，資源點擊率已經超過2500次。

對張勇教授團隊來說，此次研究成果只是個開端。針對植物基因組編輯基礎研究及應用實踐中，如何有效進行CRISPR-Cas核酸酶脫靶效應評價的科學問題，<strong>張勇教授率領團隊繼續深入探索，並於2018年3月在基因組學國際權威期刊《Genome Biology》發表相關論文。展望未來，可想而知，通過基因工程等分子層面的育種方式是科技發展的大勢趨，"基因剪刀"有望真正造福於人！

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素材來自電子科技大學官網

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