對話北大農(nóng)研院張華偉：基因編輯工具就像光刻機(jī)，如果被“卡脖子”，什么也做不了

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第142期，對話北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院植物基因組編輯實(shí)驗(yàn)室主任、研究員張華偉。

嘉賓簡介：

張華偉，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院植物基因組編輯實(shí)驗(yàn)室主任、研究員。2020年獲山東省杰出青年基金、泰山學(xué)者青年基金，2021年獲國務(wù)院特殊津貼。研究方向?yàn)橹参锘蚪M編輯。

• “榫卯連接系統(tǒng)”像拼裝積木一樣，將特定的DNA片段精準(zhǔn)、完整地“安裝”到水稻基因組的指定位置，同時不留痕跡。

• 基因編輯工具就像光刻機(jī)一樣，如果被“卡脖子”，什么也做不了。未來想把它全部國產(chǎn)化，建立一個真正有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因編輯生態(tài)系統(tǒng)。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

我們吃米飯的時候，可能很少想到，這背后藏著一場關(guān)乎國家糧食安全的科技競賽。

如何讓作物更抗旱、更抗病、產(chǎn)量更高？科學(xué)家們一直在尋找更精準(zhǔn)的方式“修改”植物的基因密碼。然而，長期以來，我國的精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)卻一直依賴國外工具先導(dǎo)編輯系統(tǒng)（prime editor，簡稱PE），這也成為我國農(nóng)業(yè)生物育種自主創(chuàng)新路上的“卡脖子”難題。

不過最近，這個難題被我國科學(xué)家聯(lián)手攻克了。

北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院張華偉團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室的李家洋院士團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出了一種全新的基因編輯策略，并將其巧妙地命名為 “榫卯連接系統(tǒng)”（Mortise-Tenon joint，簡稱MT），目前該成果已在Molecular Plant雜志上發(fā)表。

這項(xiàng)技術(shù)是如何誕生的？它又會給未來農(nóng)業(yè)帶來怎樣的影響？帶著這些問題，搜狐科技對話了北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院植物基因組編輯實(shí)驗(yàn)室主任張華偉研究員。

像拼裝積木一樣拼裝DNA

一見到搜狐科技，張華偉就馬上拿出了電腦，打開了他精心準(zhǔn)備的PPT，展示著圖片和動畫。

“你看，它就像中國傳統(tǒng)木工中，榫頭和卯眼通過精確的凹凸結(jié)構(gòu)牢固結(jié)合一樣，這套新系統(tǒng)能像拼裝積木一樣，將特定的DNA片段精準(zhǔn)、完整地‘安裝’到水稻基因組的指定位置，同時不留痕跡。”

“當(dāng)時我也不知道起什么名字好，但覺得這個名字很有中國智慧，起了這個名字我們中國人肯定一下就理解了。”張華偉回憶到。

張華偉供圖

雖然這項(xiàng)研究此前沒有太多的參考，但張華偉稱這個系統(tǒng)是依托了遺傳發(fā)育所高彩霞老師團(tuán)隊(duì)此前開發(fā)的AFID系統(tǒng)（APOBEC-Cas9-UDG/AP lyase融合系統(tǒng)）。

“我們在水稻基因組目標(biāo)位點(diǎn)制造出特殊的DSB結(jié)構(gòu)，就像卯眼，這種結(jié)構(gòu)具有單端或雙端非互補(bǔ)的5'- 突出端（粘性末端），這種非對稱斷裂方式為定向插入提供了精準(zhǔn)的接口。”張華偉如是說。

光有“卯眼”還不夠，之后他們又迅速合成了雙鏈DNA供體作為“榫頭”。通過圖片可以看到，供體的兩端帶有與“卯眼”完全互補(bǔ)的5'-粘性末端，通過5'-磷酸化修飾促進(jìn)連接反應(yīng)，同時在兩端引入硫代磷酸酯鍵提升其在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定性，確保供體不被過早降解。

通過“卯眼”與“榫頭”的粘性末端互補(bǔ)配對及連接，MT系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)DNA片段的定向精準(zhǔn)插入。不僅如此，如果設(shè)計(jì)兩對PAM-in方向的sgRNA制造雙“卯眼”，搭配雙5’-粘性末端供體，還能完成精準(zhǔn)的片段替換。

張華偉供圖

而這種“精準(zhǔn)配對、定向整合”的機(jī)制，正是MT系統(tǒng)突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸的核心所在。

“比如有A材料和B材料，我想把A材料中的性狀導(dǎo)入B材料，傳統(tǒng)的方法要先做雜交，再做回交等等，而基因編輯的好處就是我知道A為什么好，我可以在B中直接按照A里的情況進(jìn)行改造，這是最直接的方案。雖然現(xiàn)在PE也能做到這些，但畢竟還是有專利上的一些限制。”張華偉舉例道。

那么“榫卯系統(tǒng)”最有望率先應(yīng)用于改良哪些復(fù)雜性狀呢？

張華偉解釋說：“基因在一起串成一個cluster（基因簇），然后把整體的cluster導(dǎo)入一個點(diǎn)位就能產(chǎn)生抗病性，這是對基因進(jìn)行精準(zhǔn)編輯產(chǎn)生抗病性的情況，現(xiàn)在就可以實(shí)現(xiàn)，雖然我們現(xiàn)在最長的編輯片段只有85bp，并不算高，但等長片段做出來后，就可以進(jìn)行長片段導(dǎo)入。”

“甚至以后我們發(fā)現(xiàn)某個基因改造起來比較復(fù)雜，可以把這個基因重寫一遍，然后去替換掉以前的。”張華偉補(bǔ)充道。

部分解決了基因編輯育種“卡脖子”問題

張華偉稱，主流的基因編輯技術(shù)經(jīng)歷了三個清晰的里程碑階段。第一個階段是CRISPR-Cas9系統(tǒng)的工具化，它取代了早期的技術(shù)，使基因剪刀變得易于設(shè)計(jì)和高效。

第二階段是堿基編輯器，它能不依賴同源重組而高效實(shí)現(xiàn)特定類型的單堿基突變，但精準(zhǔn)度不足，還無法做到“指哪改哪”。第三個階段就是先導(dǎo)編輯器，它能根據(jù)提供的模板進(jìn)行真正的“寫入式”編輯，也這代表了當(dāng)前最前沿的精準(zhǔn)編輯能力。

不過，張華偉稱在追求精準(zhǔn)編輯的進(jìn)程中，我們國家還面臨著雙重挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，尤其在植物領(lǐng)域，許多形式的精準(zhǔn)編輯效率依然很低，形成了一個關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸。

而在知識產(chǎn)權(quán)層面，最先進(jìn)的精準(zhǔn)編輯技術(shù)核心專利被國外掌控，構(gòu)成了“卡脖子”的風(fēng)險，這限制了我們的研發(fā)自由和應(yīng)用空間。

“所以我們決定不完全跟隨和挑戰(zhàn)現(xiàn)有的‘寫入’式編輯專利體系，而是開辟一條全新的‘插入’式技術(shù)路徑，我們不執(zhí)著于原位修改基因序列，而是轉(zhuǎn)向?qū)㈩A(yù)先設(shè)計(jì)好的完整功能基因模塊，精準(zhǔn)地整合到基因組的特定位置。”張華偉如是說。

通過實(shí)驗(yàn)也可以看出，DNA插入與替換的效率最高可達(dá)59.47%，表現(xiàn)十分優(yōu)異。張華偉稱這是非常高的效率，以前大家都是用雙鏈切割，然后再同源重組，效率可能達(dá)不到1%。

不僅如此，“精準(zhǔn)、無瘢痕”也是精準(zhǔn)基因編輯中重要的一環(huán)，而研究在確保編輯產(chǎn)物“干凈”、不留下額外DNA“疤痕”方面也表現(xiàn)得非常出色。

“不留疤痕有兩個層次，我們現(xiàn)在只做一個層次，就是在修復(fù)的位置做到了沒有疤痕，但是因?yàn)槭怯没驑尨蜻M(jìn)去的，里面還會散落一些碎片到其他地方，只能靠后臺分離才能分離掉，這也是我們現(xiàn)在的一個缺點(diǎn)，后續(xù)可能會在遞送方式上進(jìn)行改變，把這個缺點(diǎn)去除掉。”張華偉解釋道。

作為PE工具的高效替代技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)也為攻克基因編輯育種“卡脖子”問題提供了關(guān)鍵利器。

對此，張華偉表示：“PE是繞不開的專利，但我覺得我們沒有完全解決‘卡脖子’的問題，只是部分解決，在基因編輯領(lǐng)域中，我們解決了最難做的框架層次問題，但中間的一些元件還是非國產(chǎn)的，我們想進(jìn)一步把它剔除掉換成自己的，這種基因編輯工具就像光刻機(jī)一樣，如果被‘卡脖子’什么也做不了。”

未來要建立一個有自主知識產(chǎn)權(quán)的

基因編輯生態(tài)系統(tǒng)

張華偉用“如釋重負(fù)”這四個字來形容系統(tǒng)開發(fā)出來后的心情。

“說實(shí)話當(dāng)時看到效率達(dá)到幾十的時候真的開心，覺得終于做出來了，但這就是個實(shí)驗(yàn)過程，文章被接收的時候不是最開心的時候，只會覺得如釋重負(fù)。我們花了五年的時間，有很多節(jié)點(diǎn)都覺得做不下去了，我頭發(fā)都掉了三分之一。”張華偉自嘲道。

過去5年里，張華偉和李家洋團(tuán)隊(duì)研究了不少于15萬株水稻的組培苗，在人力、物力、財(cái)力方面都付出了很多，“因?yàn)榍皟扇晖耆珱]有數(shù)據(jù)，是非常痛苦的，感覺怎么做都失敗。”

在張華偉看來，做成這件事情首先是要有情懷，當(dāng)時沒有數(shù)據(jù)，可能很多人不會選擇坐“冷板凳”，而是去發(fā)文章、拿基金、拿榮譽(yù)；而且做出來之后，也會有人把這個系統(tǒng)跟PE比，看看哪個更先進(jìn)，這也許是不公平的事情。

這背后，還要有單位和院里的支撐，這個項(xiàng)目是北京大學(xué)和山東省政府一起合建的，給了他和團(tuán)隊(duì)自由探索的空間和資金支持。

“我們和李家洋老師團(tuán)隊(duì)的合作非常愉快，但還需要更多人的支持。因?yàn)槲覀儧]有轉(zhuǎn)化體系，所以希望后面可以跟做玉米、小麥、大豆的課題組進(jìn)行合作，對技術(shù)本身和遞送方式進(jìn)行優(yōu)化。”張華偉如是說。

談及還需要多久能夠商品化，張華偉坦誠地回答：“不知道。”一是要看技術(shù)的成熟度和發(fā)展的快慢，二是要看國家的政策，雖然植物的基因編輯不存在倫理或者法律問題，但還要看什么時候才會對基因編輯的品種放開。

“所以產(chǎn)業(yè)化是后續(xù)的問題，我們下一步的計(jì)劃是要圍繞系統(tǒng)的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，把它做成能讓育種家、育種公司用的系統(tǒng)，還想把它全部國產(chǎn)化，建立一個真正有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因編輯生態(tài)系統(tǒng)。”張華偉如是說。

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