基因工程原理是基因重组吗（三分钟让你搞懂基因工程简史）

人体是神秘的？ 事实上，它和一部电脑并没有太大的差距。 计算机程序由0和1的代码组成，不同的组合方式使计算机可以实现不同的功能。

人类实际上也由代码构成，无非比电脑多出两位，即A,G,C,T，这4个碱基按特定的顺序排列在一起，便构成了人类特有的基因。

自科学家发现基因的奥秘以来，就有一种会改变人类进程的思想应运而生，这是因为只要人类掌握改变基因序列之法，不仅各种疑难杂症就会迎刃而解，人类也将首次真正把握自身进化的方向并支配人类的命运。

一场基因编辑技术大辩论由此拉开了帷幕。

20世纪60年代以前：基因编辑先驱者

1953年：双螺旋被发现

1953年，James Watson和Francis Crick发现了我们今天所熟悉的脱氧核糖核酸（DNA）的梯状结构，称为“双螺旋”，开创了现代生物学和遗传学的研究。

高遗传学的一个主要里程碑就是将来在生命科学领域中的主干。

1958年：第一次用试管生产DNA

斯坦福大学医学院教授Arthur Kornberg大约从1950年代初开始从事DNA合成的研究。1953年，他从细菌提取物中分离出DNA聚合酶，并在一年内首次在体外成功地合成了DNA。Kornberg正是因为这项卓越的成就而荣获诺贝尔奖。

20世纪60年代：与DNA相连

1967：DNA片段的联结

发现DNA连接酶被视为分子生物学研究的关键点，因为它对了解DNA在各种生物体内的修复与复制非常关键。

实质是催化磷酸二酯键使DNA链联结。这就为1960年代及1970年代初基因剪接实验提供了依据。

1968年：限制酶的发现

瑞士微生物学家Werner Arber假设细菌细胞产生两种类型的酶：一种称为“限制性”酶，可以识别和切割外源DNA，另一种称为“修饰”酶，可识别宿主DNA并保护其免受切割。该假说已被一个从大肠杆菌中分离出这2种酶的试验所验证。

上世纪七十年代：基因工程的偶然腾飞

1970年，对酶纯化进行了限定

1972年，约翰霍普金斯大学医学院分子生物学家Hamilton Othanel Smith成功地从流感嗜血杆菌中分离纯化出II型限制性内切酶。

更进一步认识到限制酶是怎样“切割”DNA,宿主DNA又是怎样保护自己，这将为当代基因工程疗法（CRISPR）及CRISPR提供依据。

1971年：基因剪接实验，为重组DNA的研究铺路

斯坦福大学Paul Berg教授论证了任意两种DNA分子均能相连的理论有效性。这一成果被视为基因工程领域中至关重要的一步。

Paul Berg因“对核酸生物化学的基础研究和重组DNA的研究于1980年获得诺贝尔化学奖。

1972年：创建重组DNA（rDNA）

这些与DNA有关的试验衍生出重组DNA（rDNA）。rDNA实质是从不同生物体中提取的DNA结合而成的DNA。科学家们通过向另一生物体内注射遗传物质来实现这一目标，这一发现奠定了现代遗传学原理并为今后的试验提供了依据。

1974年：美国国家科学院中止基因工程实验

美国国家科学院在基因编辑技术蓬勃发展的今天，提出了上述试验具有伦理风险。1974年，他们建议中止一切基因工程实验。

重组DNA的先驱者保罗·贝格（Paul Berg）认为这方面的研究是必不可少的，1975年2月在Asilomar召开了一次由100多位科学家出席的大会。会上围绕基因实验提出的诸多伦理问题获得回答并加以规范，这些伦理问题仍然为现代基因工程有关工作者所恪守。

1980年代：植物，动物，人体中的最初用途

1981年：首批转基因动物

转基因动物就是把从外来生物所获得的基因，有目的地插入该动物所具有的基因片段。转基因动物最早开始于1981年，由俄亥俄大学Thomas Wagner带领的研究团队开始。

Wagner及其研究小组利用目前所谓的“DNA显微注射等”技术把兔子基因传递给小鼠基因组。他们的试验成功，为以后数年转基因动物试验铺平了路。

1982年：首个基因工程人类药物-合成胰岛素

基因泰克是从事生物技术研究与开发40余年的企业，它把全球首个基因工程药物人造胰岛素推向市场。在此之前，胰岛素是由动物体内提取而来，尽管它类似于人胰岛素，但是动物胰岛素仍然存在着某些明显的区别。

它被视为基因泰克发展史上一个关键性的时刻和基因工程药物获准投放市场的起点。

1983年：聚合酶链式反应开发（PCR）

聚合酶链反应（PCR）的发现在后来的DNA实验中是必不可少的，因为它被用来制作特定DNA片段的拷贝。DNA序列经链式反应可复制数千个。

1985年：锌指核酸酶的发现（ZFN基因编辑技术）

锌指核酸酶（ZFN）的发现提高了基因打靶的效率。研究人员将DNA切割酶与ZFN DNA融合，形成“基因组剪刀”，可以在特定位置切割DNA，在DNA中产生双链断裂（DSB）。

借助于ZFN基因分离方法可以找出引起突变的准确基因并有针对性地攻击这些基因。

1988年：Bt玉米首批问世

1988年，美国首次（正式）地实际出现了转基因作物——玉米。由于玉米中含有苏云金芽孢杆菌（Bt）菌的基因，提高了玉米抗病虫害的能力，因此被称为“Bt玉米”。

1990年代：克隆与转基因生物

1993年：CRISPR原理的发现

CRISPR（Clustered regular interspaced short palindromic repeats）原理最早是Francisco Mojica对圣波拉沼泽地的细菌进行研究时偶然发现的，Mojica曾发现该细菌的一些DNA片段被规律性地反复出现过多次。

在随后的10年里，Mojica继续深入研究这些重复序列，直到2003年他发现重复的DNA片段与攻击细菌的病毒的DNA片段相匹配。这一发现大大地推动了此后与DNA有关的研究工作，同时使CRISPR基因编辑工具在今天遗传学研究中处于领先地位。

1996年，克隆多莉羊

在科学界历史上流传最广泛的一个故事——“多莉”羊1996年克隆。多莉绵羊作为首例从成体细胞中克隆到遗传特性完全相同哺乳动物的国家，在遗传学上具有里程碑意义

1999：人类完成了第一次染色体测序

1988年，美国国会资助人类基因组计划，绘制人类完整基因组图谱。尽管这项努力直到2003年才完成，但在1999年，参与该项目的科学家证明他们已经完全绘制了22号染色体的序列。

这是方案的里程碑，它证明，在这个项目上所花费的巨大时间和精力并不是徒劳无功的。

现在科学家已测序并注释了上千种生物的基因组，测序费用大幅度降低，每一种人体基因组检测费用仅为数百美元。

2000年：由实验室进入医院

2001年：第一个基因靶向药物疗法通过验收

2001，被称为格列卫的靶向基因治疗药物被美国FDA批准用于治疗慢性粒细胞白血病（CML），至今仍作为治疗该癌症的有效药物。

2006：FDA通过了第一个预防性癌症疫苗

2006年利用基因编辑搜寻癌症疗法方面的突破。Gardasil首次上市预防性癌症疫苗。当时只获准用于9-26岁妇女，但是2009年还获准用于9-26岁男子。

截至2018年，Gardasil已被批准用于9-45岁男女。到目前为止，该HPV疫苗仍是预防癌症的惟一疫苗。

2006年：首次诱导多能干细胞的产生（iPSC）

胚胎干细胞具有向任何类型细胞分化的功能。但采用干细胞开发疗法则需对试管婴儿胚胎进行细胞分离。

美国加利福尼亚大学旧金山分校山中伸弥医生于2006年首次开发出诱导多能干细胞技术。利用该技术可使干细胞分化成任意一种特定细胞。

2010-2020：基因编辑的新时代

2011年：TALEN基因编辑工具的发明

尽管ZFN于1985年被发现使基因编辑成为现实，但是该技术在实现过程中既费时又易脱靶。

2011年TALEN基因编辑工具正式问世。相对于ZFN, TALEN可在数天之内设计并制造出来。

TALEN看起来几乎不受基因组位点限制，能很容易定位到整个基因组，而且脱靶效应小于ZFN，对宿主细胞低毒。

TALEN与ZFN相比有明显的优点，但也表现出一些不足。如TALEN的体积明显大于ZFN，因此在体内传递和表达时就比较困难。

2012：CRISPR基因编辑工具的发明

2012年，Jennifer Doudna、Emmanuelle Charpentier和他们的团队阐明了CRISPR技术的生理机制和工作原理。CRISPR基因编辑技术应用范围广泛，包括癌症治疗、解决肥胖症或生产无脂奶牛等。不管是在诊断，治疗等领域，每一天都会有新发现向这一前沿领域进发。

CRISPR-Cas9实质上是一种细菌适应性免疫系统，通过设计与靶序列互补的向导RNA，可以实现对DNA的编辑。侵入病毒的DNA片段被细菌核酸酶（CRISPR相关蛋白）切断。截获的DNA片段可以用于防御将来病毒入侵。

2015年：人类胚胎与CRISPR编辑

广州中山大学遗传学家黄俊久于2015年采用CRISPR技术对人类胚胎进行编辑。因黄俊久试验已使影响遗传的生殖细胞发生变化而在学术界公认为不道德行为，引起争议很大，并为西方科学期刊所拒载。直至2018年才被一些单位认可进行CRISPR有关人体试验。

2017：第一个癌症CART疗法通过

2种CAR T细胞疗法2017年获批治疗儿童急性淋巴细胞白血病和成人晚期淋巴瘤。

在CAR T疗法中取得了重大进展，若治疗已被证实如所期望的效果，它将有可能代替化疗而成为癌症治疗中最重要的手段，由于CAR T在人体内没有毒性，而且已被证实能在短短的10天时间内彻底消融癌症肿瘤。

2018年：CRISPR第一次人体试验通过

在Vertex Pharmaceuticals与CRISPR Therapeutics两公司共同发起的倡议下，地中海贫血症CRISPR疗法获准启动临床试验。

2019年：Prime Editing允许单链切割

2019年10月，Broad研究所David Liu教授研究团队在Nature上发表了一篇关于新型基因编辑工具Prime Editing的论文。

这一创新基因编辑技术能够降低负面影响，同时提高编辑精确性。这一工具区别于CRISPR,可以实现基因编辑而不会导致双链断裂。

2020年：属于CRISPR的一年

CRISPR临床试验成果在2020年夏开始缓慢出现。维多利亚·格雷作为首位镰状细胞病患者取得了不错的疗效。在后续较大范围的实验中仍有突出的治疗效果。

CRISPR在2020年10月成为了头条新闻，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna最终因发明CRISPR基因编辑工具获得了诺贝尔化学奖。

随着CRISPR技术逐步走向成熟，基因编辑应用范围也会更加广泛。这一人类专研长达半个世纪之久的领域终于在今天进入爆发期。