#生物學小講座 | 基因編輯嬰兒鬧得沸沸揚揚，想了解基因編輯，先看看這個小東西_風聞

作者：觀察者網風聞社區/Raffaele

按：本來這篇文章早就要發了，因為個人問題一直留中了，昨天突然爆了個大新聞，想着還是發了吧，循序漸進讓大家一點點了解這些複雜難懂的技術。

Part I 風馬牛亦相及：從耳機線到DNA

繞耳機線是門技術活。長長的耳機線卷得好好的塞進口袋，再拿出來就亂成一團，買防纏繞耳機吧，音質往往一般般，買繞線器經常選擇困難症發作，那些漂亮的繞線法又難學得緊。那麼，對於這根煩惱絲，有沒有什麼簡單有效的好辦法呢？這個問題或許難得倒別人，但難不倒生物狗！因為生物學裏的一個小常識，讓我，沒錯，我本人，發明了一種誰都能學，都能用好的繞線法，這就分享給大家。

首先，將耳機線對摺，拉bai直wan，就像這樣：

然後，不停的旋轉，將它繞成螺旋線，可以多繞幾圈，效果好：

最後，將兩端靠近，纏繞成螺旋的耳機線會自然而然的纏繞在一起，這樣的狀態下，隨你在口袋裏放多久，這根耳機線都會繼續保持放進去時的樣子，不會打亂。

從口袋中取出時，自然是捏住兩頭，稍稍拉直，把螺旋鬆開，耳機就可以用了。怎麼樣，船新版本的螺旋繞線法，學會了嗎？

為什麼原本會亂成一團的耳機線，繞了幾圈就能自己纏起來，還能保持住這個形狀呢？這就要從生物學的明星分子，脱氧核糖核酸，也就是DNA説起了。

DNA的長度非常長，一個人類細胞內的基因組DNA長度就超過兩米。這麼長的分子，是怎麼塞進肉眼都看不見的細胞裏呢？學過高中生物的同學們都知道，是通過超螺旋，利用拓撲形變產生的作用力，將這麼長的分子壓縮成很小的體積，這其中的原理，和我們繞耳機線是一樣的。不過和繞DNA相比，繞耳機線的難度簡直是小巫見大巫了。

質粒：人家繞起來比耳機線高級多了

Part II 小質粒，大能耐

上面這張圖顯示了一個質粒分子是如何從鬆散的狀態轉變成超螺旋結構的。質粒（plasmid）是一類獨立於細胞基因組存在的DNA分子。和其他來源的DNA不同的是，多數質粒是閉合環狀的DNA分子。質粒往往攜帶了為細菌提供各種抗生素抗性的抗性基因，並且能在不同細菌間傳播，複製，是讓各種來勢洶洶的抗生素無用武之地的罪魁禍首。

不過，經過幾代分子生物學家數十年不間斷的思bi想liang改wei造chang，如今質粒已經成為實驗室裏最重要的分子生物學工具之一。作為外源基因載體，質粒被廣泛作用在各種目的的分子生物學實驗中，把科學家需要的基因帶進細胞，讓基因發揮作用，達到改造生物體的效果。聽着很耳熟是吧？沒錯，質粒就是近乎一切基因操作技術，包括轉基因技術和基因編輯技術的核心元件，而它的極端重要性，也讓它當之無愧的成為今天這篇文章的主題。

DNA的長度通常用鹼基對數量（base pair，bp）來表示。質粒的大小，也就是構成質粒的環狀DNA鏈長度，通常從幾千個bp到幾萬個bp不等。這樣的長度，足夠容納下進行基因操作所必需的元件了。下面，我們就用一個具體的質粒來介紹質粒分子裏到底有些什麼組成部分，又都具有什麼樣的功能。

用於生物工程的質粒可以在實驗室中自己構建，也可以設法獲取其他實驗室已經構建好的質粒。由於互聯網技術的普及，目前進行基因編輯或者轉基因的生物學家，通常會在網上進行問詢，比如addgene這個網站，就是一個擁有相當規模的在線質粒庫。在addgene，你可以查詢質粒的具體信息，並進行在線訂購。如果您是土豪，完全可以在家配備完整的生物學儀器設備，在家裏自己玩基因編輯，轉基因，想想還有些小激動呢。

基因編輯大本營addgene

就像任何一個普通的網站一樣，對內容進行搜索都是最基本的功能。Addgene也一樣，通過搜索，我們能很容易找到自己想要的質粒，並獲取關於這個質粒的全部信息。最近幾年，最熱的基因技術莫過於CRISPR/CAS9技術，但這個最先進的基因編輯技術，但卻依然要用到“古老”的質粒。基因編輯大神張峯在MIT的實驗室為addgene提供了兩款基本的表達質粒：px458bb和px459bb。我們就先拿px459來舉例説明。

在http://www.addgene.org/62988/這個頁面，提供了px459bb的幾乎所有必要信息，包括圓形的質粒示意圖，質粒的用途，發佈人，相關發表的相關文章，以及質粒的具體DNA序列。不過，通常情況下，一個圓形的示意圖就足夠讓我們對這個質粒有大致瞭解了。

俗話説，天下文章一大抄，質粒上的基因元件雖然多，但多數都是從天然來源的基因改造而來，僅有極少一部分是完全由人創造，雖然這一部分創造的序列往往具有重要功能。

按順時針方向，首先我們看到的，是兩個連在一起的元件，U6 promotor和gRNA scaffold，翻譯過來就是U6啓動子，和gRNA骨架。還記得我們生物學的中心法則嗎？

你還記得大明湖畔的中心法則嗎？

一個基因需要發揮作用，首先就要從DNA轉錄成RNA，而啓動子就是細胞用於啓動基因轉錄的序列。gRNA（GuideRNA, 嚮導RNA）骨架則是CRISPR/Cas9技術的兩個重要元件之一，將它和特定基因的部分序列相結合，就能指揮Cas9這把分子剪刀，精準的切割DNA，達到基因編輯的目的。

接下來，是CMV enhancer，chicken β-actin promotor。嗯，這個啓動子promotor我們算是認識了，enhancer又是什麼呢？這是一類加強基因轉錄效率的元件，被稱作增強子，能讓需要轉錄的基因在細胞中大量的轉錄，最終翻譯出非常多的蛋白質，保證基因功能的有效發揮。有意思的是，雖然這兩個元件能夠在同一個質粒中共同努力構建和諧社會（劃掉）共同促進基因轉錄，但他們一個來源於鉅細胞病毒CMV，另一個卻來源於家雞chicken。這種求同存異，英雄不問出處的人生哲學，值得藍星人學習。

在增強子和啓動子之後，那長長的一條，就是本質粒的絕對主角Cas9基因啦，不過在cas-9基因的開頭，人們為它加上了幾個小部件，包括用於檢測cas9蛋白質表達的三個flag片段（呃，不是那種回老家結婚的flag）以及讓它老老實實呆在細胞核裏的核定位序列NLS (Nuclear Localization Sequence)。為什麼要cas9基因表達出來的蛋白呆在細胞核裏呢？因為它是切割基因組DNA的乙方，而充當甲方的基因組DNA大爺在細胞核裏啊。

Cas9基因的末尾，是另一個NLS和嘌呤黴素抗性基因PuroR，而兩個基因之間用一個被稱作T2A的小片段隔開。T2A也是非常重要的質粒元件，它的作用是能讓兩個同時轉錄的基因分開表達，不相互影響功能。PuroR能為真核生物細胞提供對嘌呤黴素的抗性，由於Cas9和PuroR兩個基因是同時轉錄出來的，因而表達了Cas9的細胞，也必然表達PuroR基因。有了這樣的關係，我們就可以藉助抗生素篩選出成功表達了Cas9的細胞，這對於後續的各類實驗都是非常有幫助的。

利用T2A同時獨立地轉錄兩個基因

最後的aav ITR和其他一些元件，則是主要用於將質粒包裝進載體，以及在細菌中製備，這裏就不再贅述了。如果讀者能耐心的看到這裏，恭喜你，你已經知道質粒是如何構成的了。通過不同的方法，將做好的質粒導入細胞，就能實現轉基因啊，基因編輯啊，RNA干擾啊等等各種騷操作啦！

預告：下一講，我們將利用質粒，在紙面上實現一個最簡單的基因編輯…

後記：基因編輯，轉基因，基因沉默，這些技術看似千變萬化，實則萬變不離其宗，而質粒就是實現這些技術的通用工具，其重要性不言而喻。老美編的分子生物學實驗手冊，有一大半都是和質粒有關，想要不被各路文章忽悠，想要知道基因技術真正的奧秘，就得從瞭解質粒開始。