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《新的试验检测用基因编辑技术改造的油菜》

  • 来源专题：食物与营养
  • 编译者： 李晓妍
  • 发布时间：2020-10-10

  • 欧洲的一个民间社会团体联盟宣布开发一种新的检测方法，以检测用基因编辑技术开发的基因工程油菜，这表明实际上可以在食品中检测到采用新型基因工程方法开发的农作物。 供应，并要求根据美国法律贴标签。根据美国国家生物工程食品公开法案，基因编辑食品必须被标注为转基因食品，开发这种新测试的方法可以用于开发大多数基因编辑作物的检测方法，这表明食品公司不再有任何借口以基因编辑成分检测不到的名义来逃避法律。

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  • 《农业掀起“基因”浪潮，基因编辑和转基因技术商业化提速》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：zhangyi8606
    • 发布时间：2020-11-12
    • 全球农业颠覆式发展必然少不了农业生物技术的创造性力量。 农业生物技术是指运用基因工程、发酵工程、细胞工程、酶工程以及分子育种等生物技术，改良动植物及微生物品种生产性状、培育动植物及微生物新品种、生产生物农药、兽药与疫苗的新技术。广义基因工程技术中的基因编辑和转基因技术在农业领域的应用备受关注。 说到基因编辑，其近年来的发展可谓是叱咤风云，在医学领域大放异彩不说，又屡次角逐诺奖。当走在科技前沿的基因编辑遇上正在追赶科技的农业，它们之间所发生的奇妙化学反应将为农业带来全新的发展机会。例如：早在2013年，以CRISPR/Cas9系统为标志的第三代基因编辑技术就取得了决定性突破，打破了常规育种瓶颈，成为基因编辑主流技术。 与基因编辑一样，转基因自被人们认识以来便是万众瞩目。根据国际农业生物技术应用服务组织2019年9月发布的《2018年全球生物技术/转基因作物商业化发展态势》报告，当年全球有26个国家和地区种植转基因作物，种植面积超1.9亿公顷，其中美国、巴西、阿根廷、加拿大和印度的转基因农作物种植面积占全球转基因作物种植面积的91%。 基因编辑和转基因技术在农业领域的应用 医疗和农业是基因编辑的两大重要应用领域。在农业方面，世界各地的研究人员利用植物和动物的测序来研究不同物种的基因组，进行农作物全品种基因测序将会推动农业发展，增加作物产量。 基因编辑技术不仅可以突破传统育种难以解决的遗传障碍，而且能实现特定性状的精准改变，颠覆已有动物遗传改良技术路径和选育效率。伴随着基因编辑技术的不断改进及其在动植物上的广泛应用，农业领域的颠覆性变革悄然在进行。 1994年，Calgene推出第一个基因工程食物Flavr Savr番茄。1996年，孟山都公司（Monsanto）推出第一批基因修饰农作物，很快这些基因修饰食品占据了市场。2016年初杜邦宣布，在2020年即将诞生一款新的玉米品种，将是史上第一例商业化的基因编辑农作物。2018年，美国食品药品监督管理局（FDA）发布新规，撤销对CRISPR作物的严格管控，鼓励CRISPR植物的种植试验。 与基因编辑有所不同，转基因技术能将一个生物体中结构明确、功能清楚的基因取出，让其在另一个作物体内发挥作用，实现基因在不同物种间的重组。这项新技术不仅更精准，而且利用其他物种的基因资源能极大扩充作物自身的基因库，使作物具备抗虫、耐除草剂、抗旱等特性。动物转基因技术则在提高畜禽生产性能、改善畜产品品质、提高畜禽抗寒抗病能力等方面应用广泛。 作为现代生物工程的一个重要手段，许多发达国家和发展中国家都在大力研究开发转基因技术。我国转基因作物研究始于20世纪80年代，是开展这项新技术研发最早的国家之一。 2008年中央一号文件首次提出，启动转基因生物新品种培育科技重大专项。当年10月党的十七届三中全会决定强调，实施转基因生物新品种培育科技重大专项，尽快获得一批具有重要应用价值的优良品种。随后出台的《国家粮食安全中长期规划纲要》也对转基因生物新品种培育科技重大专项提出明确研发方向。 跟随国家政策的指引，行业内的头部企业逐渐开始了在农业生物技术领域的探索，例如华大基因和隆平高科。 华大基因：推进动植物育种进程 华大基因成立于1999年，是全球领先的生命科学前沿机构，拥有多种平台，可以在DNA水平、RNA水平、表观遗传学等各个水平对动植物各种表型性状进行全方位的研究，并结合质谱技术开展蛋白质组水平的研究，利用贯穿组学深度解析动植物界的科学问题，检测与人类息息相关的农艺性状相关基因、研究动植物进化、抗病、抗逆、生殖发育等生理机制，为育种挖掘多样性的遗传资源，为推进动植物育种进程奠定坚实的理论基础。 其产品RNA-Seq主要用于系统进化/物种起源、生长发育、抗逆及致病机理研究、生物标记（分子育种）等研究。此外，华大基因还在利用自主DNBSEQTM测序技术的基础上，自主开发了双链环化的文库制备新方法，可快速高效获取真实的甲基化水平数据，以及动植物育种、人类健康与疾病等应用性研究。 华大基因基于公司领先的数据处理分析能力，丰富的科研项目经验，公司在科研方面也取得了一系列突破性成果。2019年，公司与多家国内外科研机构在全球顶尖学术期刊上发表了50篇农业基因相关科研论文。其中，2019年3月11日，与芝加哥大学、亚利桑那大学等团队合作在Nature Ecology & Evolution上发表了迄今为止最大的水稻高质量新蛋白质数据集的成果。2019年5月，与华中农业大学在Nature Genetics上发表迄今为止质量最高的热带玉米参考基因组，并公布了首份玉米结构变异图谱。 华大基因于2019年5月与碧桂园农业控股有限公司签署股权转让协议，将其持有的华大农业80%股权转让给碧桂园。碧桂园布局农业全产业链条，着力打造科技型、平台型、国际型农业。 隆平高科：高位布局玉米转基因品种开发 隆平高科自设立以来一直以现代种业产业化为发展方向，利用现代生物技术，主要从事农作物高科技种子及种苗的研发、繁育、推广及服务。 在生物技术板块，隆平高科在华智生物技术有限公司、隆平高科长沙生物技术实验室、隆平高科生物技术（玉米）中心等分子育种平台基础上，投资设立湖南隆平高科第三代杂交水稻种业有限公司，聚集新一代杂交水稻技术开发，投资杭州瑞丰生物科技有限公司，成立隆平生物技术（海南）有限公司，高位布局玉米转基因品种开发，进一步提升公司研发能力，巩固公司产品及科技领先优势，抢占新技术周期背景下行业竞争的战略制高点。 2020年1月21日，农业农村部公布了2019年农业转基因生物安全证书（生产应用）批准清单，其中包括隆平高科参股公司杭州瑞丰生物科技有限公司的转基因玉米瑞丰125，该玉米融合两个Bt抗虫基因，能有效控制我国玉米田的主要鳞翅目害虫，预期在延缓害虫抗性产生方面具有优势，所含抗除草剂基因是具有我国自主知识产权的创新型基因，可满足我国农民田间除草需求。此外，对目前入侵我国西南地区、黄淮海地区的草地贪夜蛾也具有一定的抗性。 作为行业龙头，隆平高科在传统研发和以转基因技术为代表的生物技术储备方面准备充足、能力叠加，将进一步巩固和提升其行业优势地位。 大北农：转基因大豆产品取得里程碑式进展 大北农集团主营业务有饲料、养猪、水产、疫苗、作物、农业互联网六大产业，拥有近20000名员工、1500多人的核心研发团队、120多家生产基地和300多家分子公司。其作物科技产业聚焦生物技术、绿色良种、新型肥料、环保农药的创新研发与服务推广，为农民提供全产业链的种植科技服务。 2019年2月27日，大北农收到阿根廷国家政府的生产及劳动部正式书面通知，公司下属子公司北京大北农生物技术有限公司研发的转基因大豆转化事件DBN-09004-6获得阿根廷政府的正式种植许可。这是大北农转基因大豆产品在国际南美地区市场取得的重要里程碑式进展，也是大北农生物技术的研发和转化在国际南美地区取得的重大进展，也为大北农生物技术的市场化应用和经营拓展了较为广阔的市场空间。 行业发展空间巨大，创新企业步履不停 2019年12月30日，农业农村部科技教育司发布《关于慈KJH83等192个转基因植物品种命名的公示》，拟批准为192个植物品种颁发农业转基因生物安全证书目录，其中包括2个玉米品种和1个大豆品种，这是距2009年2个水稻1个玉米获得转基因生物安全证书之后，又有中国研究的主要农作物获得转基因生物安全证书。 国产转基因品种十年磨一剑，长时间沉淀的坚实基础将推动我国农业生物技术产业进入一个新的快速发展时期，未来发展空间巨大。在农业生物技术领域除了头部企业的探索，创新企业也加快了发展步伐。 康普森：动植物分子育种 北京康普森生物技术有限公司（以下简称“康普森”）成立于2011年，公司提供基于新型农业基因组技术的动植物分子育种、特色农业基因+以及现代化农业生产、现代设施农业整体解决方案。 2015年，康普森生物开始向农业产业化发展。第二年，为进一步推广基因组选择技术和产业化应用，康普森生物正式启动了产业联盟，在全国范围内先后发起了“猪基因组选育北京联盟”、“全国肉鸡全基因组选择育种联盟”、“畜禽良种产业技术创新战略联盟”等多个行业联盟，通过与不同机构合作，共同打造联合育种“产学研”院企合作平台，实现专注分子育种，用“大数据解决选育问题”的目标。 2018年，作为康普森生物的全资子公司，康普森农业推出了个性化育种方案制定、畜禽基因组选育、选配策略制定、遗传疾病评估、功能基因检测等一站式育种服务，为科研工作者和育种企业提供了多项个性化服务，这对培育自主品种、打造民族品牌、提升核心种源自给率、推动畜牧基因组实现产业化有着重要作用。 古奥基因：基因组选择育种平台研发 武汉古奥基因科技有限公司（以下简称“古奥基因”）是一家以二代和三代高通量测序、生物信息分析、交互分析报告、多组学知识库和基因组选择育种平台研发为技术核心的高科技公司。 古奥基因自成立以来，一直致力于布局基因数据产业，从数据产出，到分析，到深度挖掘，基因应用。目前公司已建立形成“三中心两基地”，包括武汉古奥基因（总部研发和运营中心）、重庆揩火基因（大数据中心）、嘉兴古奥（分子育种中心）、牡丹江大豆育种基地、东西湖育种基地。 其产品古奥基因组选择育种平台是通过整合和开发全基因组关联分析、全基因组选择育种、育种模拟等方法，开发的一个全自动化的育种分析平台，包含了数据管理，图表可视化，在线分析等一系列功能模块。平台利用配置好的育种分析方案进行全自动育种分析，使得育种研究人员在不需要底层生物信息和数量遗传算法的基础上，真正实现基于基因大数据的动植物品种选育方案设计。 当然不只是我国农业领域在推进基因工程技术的创新应用，自2019年开始，一些国家及地区政府进一步释放信号，鼓励转基因农作物种植和应用。 在欧洲，英国首相约翰逊提出要“解放”英国的转基因产业，欧盟委员会宣布批准10种转基因产品在欧盟上市；在美洲，美国总统要求联邦政府相关监管机构简化、加快农业生物技术产品的审批流程，从而加快农业生物技术新产品的审批、降低开发者的成本、鼓励对转基因农作物进行更多投资；在澳洲，南澳大利亚州政府决定从2020年起解除该州除袋鼠岛以外有关种植转基因作物禁令，至此澳大利亚大陆所有州都取消了转基因作物种植禁令。 以下是国外几家在农业基因工程技术领域较有代表性的企业。 Indigo Ag：创建农业微生物基因组信息数据库 Indigo Ag成立于2014年，起初只是Flagship pioneering发起的100多家创业公司之一。但在经过几年的发展以后，它已然成长为一家900多人规模的企业，累计融资金额超8亿美元，估值更是超过了35亿美元。 Indigo Ag利用人工智能算法和机器学习技术，创建了一套农业微生物基因组信息数据库，分析出对植物健康最有帮助的微生物，可以抵御农作物病虫害，增加营养摄入量以及水分利用率，继而提升产能，让农民获得可持续的收成。 目前，该公司的种子处理技术主要用于五种作物——玉米、小麦、大豆、水稻和棉花。2018年，indigo的玉米每英亩产量比传统种子高出10%以上，小麦产量提高了近15%。 Benson Hill：改良作物基因 Benson Hill成立于2012年，是一家集云计算、大数据分析和植物生物学为一体的农业科技公司，多年以来利用其建立的CropOSTM生物信息平台，帮助各大公司改良作物基因，提高作物品质，一直以来受到业内的广泛好评。 其最新研发的种子品种在保证农民产量的同时，还具备最优的蛋白质和油脂组成，可以提高饲料消化效率、降低胰蛋白酶抑制效果，并具备小众市场和大众终端用户所追求的其余品质。其中一个产品是eMerge Genetics的产品组合，这是一个国际知名的非转基因大豆品种组合，有资格通过非转基因认证并在包括欧盟在内的所有市场销售，极具推广潜力。 行业产业化前景诱人，技术壁垒问题仍待解决 《2020年农业农村科教环能工作要点》指出，要着力提高科技创新的产业贡献度着力强化科技扶贫，加强基础前沿储备，面向国际前沿，围绕生物种业、智能农机装备、数字农业等领域，强化基因编辑、合成生物学、大数据、人工智能等基础前沿研究，增强原始创新能力。继续组织实施转基因生物新品种培育重大专项，进一步强化生物育种技术研究和产品熟化，推进优良新品系遴选和第三方验证，夯实产业化基础。 在政策引领下，随着技术研发的深入，基因编辑的技术优势不断凸显，并逐渐转化为产业优势，已经在动植物育种方面显示了广阔的前景。据美国Kalorama Information公司估计，2025年基因编辑及其相关供应市场规模有望突破50亿美元。华泰证券研究报告则预测到2030年，我国转基因种子市场规模有望达到460亿元，利润总额有望达到157.8亿元。 尽管随着人们逐渐对基因编辑和转基因技术认知增多，基因工程技术产业化也与市场需求结合紧密，产业化前景诱人，但其产业化仍然受到技术壁垒、编辑效率等瓶颈问题的制约。但不论如何，基因工程技术将成为作物育种和农业生物技术研发过程中的一个重要工具，并推动农业领域的一场革命，未来行业中可能诞生千亿市值的龙头种企。
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  • 《Cell综述 | CRISPR基因组编辑技术的过去、现在和未来》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-03-13
    • 2024年2月29日，苏黎世大学的研究人员在 Cell 期刊发表了题为Past, present, and future of CRISPR genome editing technologies的综述论文。在这篇综述中，作者讨论了CRISPR基因编辑技术在研究和治疗方面的现状，强调了限制它们的局限性和近年来开发的技术创新来解决这些问题。此外，还检查和总结了基因编辑在人类健康和治疗方面的当前应用情况。最后概述了未来可能影响基因编辑技术及其应用的潜在发展。 基因组编辑，即对生物体遗传物质进行精确和有针对性的修改，是分子生物学领域最重大的进展之一。它具有深远的应用，从揭示基本的生物学过程到推动医学、农业和生物技术的发展。随着2023年底首次批准基于CRISPR疗法用于人类疾病治疗，CRISPR基因组编辑正在进入一个新时代。该综述旨在提供CRISPR基因组编辑全景视角，强调其当前状态、潜在的未来发展以及必须克服的障碍，以充分实现其在人类医学中的承诺。 CRISPR-Cas核酸酶的可编程性使其能够产生位点特异性的DNA双链断裂，从而使其能够快速适应基因组编辑技术。来自化脓链球菌的典型Cas9蛋白（SpCas9）是第一个被用于基因组编辑的Cas核酸酶，由于其固有的高活性和特异性，目前仍然是最广泛使用的基因编辑器。Cas12a是一种起源于V型CRISPR-Cas系统的Cas核酸酶，在Cas9之后几年被发现，同样被用于基因组编辑。与Cas9不同，Cas12a不需要tracerRNA进行激活，这一特点已被用于体内多重编辑。 CRISPR-Cas系统作为简单有效的可编程基因编辑工具的重新应用，极大地推进了许多基础和应用研究领域，为开发靶向基因治疗和各种生物技术应用奠定了基础。然而，高度进化的生物防御系统的功能特征与精确的基因组编辑工具的功能有所不同。因此，第一代基于CRISPR的基因编辑工具的应用潜力受到几个关键因素的限制，主要包括特异性、靶向范围，以及依赖内源性DSB修复机制来实现基因组编辑，此外，CRISPR组分的递送受到递送载体和目标细胞或生物体的特定限制。 自基于CRISPR的基因编辑首次展示以来，该领域已经得到了前所未有的发展。基于Cas9和Cas12a核酸酶的第一代DNA双链断裂依赖性基因组编辑器的功能已经通过不断创新得到增强，这些创新不仅增加了这些工具的多功能性，还提高了它们的精度并最小化了非预期编辑后果。然而，对于它们安全性的担忧仍然存在，这既是因为脱靶编辑活性，也由于靶向DNA双链断裂的潜在基因毒性效应。为了减少非预期编辑的发生，已经探索了多种方法来精确地控制CRISPR基因组编辑器。 CRISPR基因组编辑技术的发展带来了一系列具有显著潜力的应用，从基础研究的进步到新治疗方法的开发。首先，CRISPR已经改变了遗传学研究，使科学家能够在各种实验模型中模拟致病突变，创建大规模的全基因组筛查方法，并开发合成基因记录设备来研究正常发育和疾病进展。CRISPR系统还被被用于开发分子诊断，使病毒DNA或RNA的检测变得特异、快速和灵敏。其次，CRISPR技术还被用于建立消除病毒或细菌人类病原体的策略，后者是通过开发工程噬菌体实现的。限制病原体传播的一个具体例子是基于CRISPR的基因驱动，其中引入特定的抑制性特征（例如雌性不育），以摧毁携带病原体的昆虫种群（主要是传播疟疾等疾病的蚊子）。最后，过去十年的CRISPR基因组编辑已经发展出多种治疗遗传病的方法，其中一些已经从基于细胞和动物模型的临床前研究进入了人类临床试验。这包括体内和体外治疗纠正策略。体内治疗纠正方法涉及将基因编辑组件输送到人体内部受影响的组织。相比之下，体外方法涉及从患者身上收集细胞，在实验室中编辑它们，然后将编辑后的细胞移植回患者体内。此外，体外CRISPR编辑还使自体和异体基因组修饰的细胞疗法的产生成为可能，主要用于癌症免疫治疗。 随着当前CRISPR技术的局限性在过去十年中变得越来越明显，新的方法和方法学不断发展和优化，以解决这些限制并提高基于CRISPR的基因组编辑的效率和多样性。这些新兴的第三代工具和技术，包括最近发现的紧凑型RNA引导核酸酶类，这些核酸酶已被用于基于DNA双链断裂的编辑，并可作为其他基因组编辑器（例如碱基编辑和先导编辑）的RNA引导的DNA结合平台。 在基因组编辑领域，向宿主基因组中插入大片篇的DNA序列，特别是在缺乏同源定向修复（HDR）的非分裂细胞中，仍然是一个主要的未满足需求。在这种背景下，CRISPR引导的重组酶和转座子的开发提供了一种有前途的和潜在强大的途径来填补这一技术缺口。基于逆转录转座子的基因组编辑技术和编辑RNA转录本的新方法也已经出现。最后，新的基因组编辑工具的创建继续与递送方法的发展相伴而行，这对治疗应用构成了重大挑战。 总的来说，这些进步反映了快速发展的基因组编辑领域的动态，其中每种新方法都提供了互补的优势，以解决基因操作的各种需求和挑战。 此外，对于DNA双链断裂的基因毒性以及同源定向修复（HDR）低效率的担忧进一步推动了“第二代”CRISPR技术的发展，这些技术在不依赖于DNA双链断裂形成和HDR的情况下介导基因组编辑，其中最具代表性的是碱基编辑器（base editor，BE）和先导编辑器（prime editor，PE）。目前可用的CRISPR基因组编辑技术主要包括CRISPR-Cas9、CRISPR-Cas12a、碱基编辑、先导编辑、转录调控、RNA编辑，这为基因组编辑提供了更具针对性的方法，特定技术特别适合某些类型的编辑或递送模式。但虽然这些基因组编辑工具包的新增内容对解决与规范化CRISPR基因组编辑相关的许多限制做出了显著贡献，但它们在编辑活性、特异性和递送方面仍然存在一些限制。 过去十年，基因组编辑领域从一个新兴的科学追求转变为一种变革性的生物技术力量。第一代CRISPR技术主要基于内源性修复或位点特异性DNA双链断裂（DSB），已被第二代技术，例如碱基编辑和先导编辑所补充，这些技术可以在不产生DSB的情况下直接靶向DNA修饰，通常被认为更安全，并产生更可预测的编辑结果。新兴第三代CRISPR技术正在开发中，以解决该领域中两个主要未满足的需求：实现大片段DNA序列的精确插入，以及通过表观基因组工程实现在没有任何基因组编辑的情况下进行基因调控。这些和其他技术的持续进步是由两种方法实现的：一方面，通过挖掘宏基因组来发现新的分子系统，另一方面，通过合成生物学和人工智能支持的分子工程。 基因组编辑的现状最好地体现在不断扩展的新技术和方法的组合中，这些技术和方法主要基于源自CRISPR-Cas系统的RNA引导分子工具，彻底改变了我们精确和轻松地操纵遗传物质的能力。当前的发展趋势表明，这些技术将继续得到改进，在特异性、效率和传递机制方面逐步提高。值得进一步研究的领域将包括开发更具特异性和免疫原性的递送载体、减少脱靶效应以及增强对编辑结果的控制，从而提高基因组编辑的准确性和精度。展望未来，与纯粹基于蛋白质的技术相比，核酸引导系统可能仍然是基因组编辑的核心，因为它们具有简单的可编程性和适应性。然而，它们的应用模式可能会演变，可能会转向更瞬时性的编辑方法，以最小化意外长期基因变化的风险，或者通过瞬时递送来最小化基因组的破坏和免疫反应。 随着第一代CRISPR技术已经通过体外编辑被批准用于临床治疗镰状细胞病（SCD）和β-地中海贫血等疾病，以及体内基因编辑疗法的出现，限制未来广泛的基因组导向的治疗发展的瓶颈将不再是缺乏安全、高效或精确的基因组编辑器。主要挑战将在于递送方法，特别是对于血液和肝脏以外的器官以及某些体外细胞类型。体内递送方法的进步，例如mRNA疫苗开发中所见，可能会显著促进CRISPR技术的应用。此外，即使是目前可用的CRISPR方法编辑的组织和细胞，也需要更多的基础研究来确定安全的编辑靶点。因此，随着新传递载体的开发以及致病变异及其纠正策略的表征，可以通过CRISPR治疗的疾病范围将不断扩大。预计CRISPR领域外的进展将有助于推动这些技术向新的方向发展，增强其功能。在这种背景下，人工智能（AI）的兴起将使我们能够准确地模拟复杂的基因组编辑场景，预测靶向和非靶向编辑结果，并设计更强大的基因组编辑器，从而加快实施安全治疗方法的步伐。 伦理和社会影响，特别是涉及人类生殖细胞基因组修改的问题，将继续成为基因组编辑讨论的前沿。随着人类体细胞编辑成为现实，治疗性和非治疗性生殖细胞编辑的前景，以及对人类基因组进行可遗传改变的潜力，提出了深刻的伦理问题，全球社会必须加以解决。由于人类胚胎的研究表明，CRISPR基因组编辑技术在用于生殖目的的生殖细胞编辑方面不够安全或有效。此外，生殖细胞编辑的治疗效用有限，可能只对少数人有益。然而，对于基因组编辑技术的治理和负责任的管理，国际共识的紧迫性不能被夸大，特别是考虑到其快速发展、不断改进和广泛采用。 总的来说，尽管存在这样那样的挑战，但CRISPR基因编辑的未来是光明的。它不仅有潜力推动研究突破和革命人类医学，还有潜力提高农业生产和应对气候生态挑战，从而为子孙后代建立一个更健康、更可持续的未来。
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