#生物学小讲座 | 基因编辑婴儿闹得沸沸扬扬，想了解基因编辑，先看看这个小东西

作者：观察者网风闻社区/Raffaele

按：本来这篇文章早就要发了，因为个人问题一直留中了，昨天突然爆了个大新闻，想着还是发了吧，循序渐进让大家一点点了解这些复杂难懂的技术。

Part I 风马牛亦相及：从耳机线到DNA

绕耳机线是门技术活。长长的耳机线卷得好好的塞进口袋，再拿出来就乱成一团，买防缠绕耳机吧，音质往往一般般，买绕线器经常选择困难症发作，那些漂亮的绕线法又难学得紧。那么，对于这根烦恼丝，有没有什么简单有效的好办法呢？这个问题或许难得倒别人，但难不倒生物狗！因为生物学里的一个小常识，让我，没错，我本人，发明了一种谁都能学，都能用好的绕线法，这就分享给大家。

首先，将耳机线对折，拉bai直wan，就像这样：

然后，不停的旋转，将它绕成螺旋线，可以多绕几圈，效果好：

最后，将两端靠近，缠绕成螺旋的耳机线会自然而然的缠绕在一起，这样的状态下，随你在口袋里放多久，这根耳机线都会继续保持放进去时的样子，不会打乱。

从口袋中取出时，自然是捏住两头，稍稍拉直，把螺旋松开，耳机就可以用了。怎么样，船新版本的螺旋绕线法，学会了吗？

为什么原本会乱成一团的耳机线，绕了几圈就能自己缠起来，还能保持住这个形状呢？这就要从生物学的明星分子，脱氧核糖核酸，也就是DNA说起了。

DNA的长度非常长，一个人类细胞内的基因组DNA长度就超过两米。这么长的分子，是怎么塞进肉眼都看不见的细胞里呢？学过高中生物的同学们都知道，是通过超螺旋，利用拓扑形变产生的作用力，将这么长的分子压缩成很小的体积，这其中的原理，和我们绕耳机线是一样的。不过和绕DNA相比，绕耳机线的难度简直是小巫见大巫了。

质粒：人家绕起来比耳机线高级多了

Part II 小质粒，大能耐

上面这张图显示了一个质粒分子是如何从松散的状态转变成超螺旋结构的。质粒（plasmid）是一类独立于细胞基因组存在的DNA分子。和其他来源的DNA不同的是，多数质粒是闭合环状的DNA分子。质粒往往携带了为细菌提供各种抗生素抗性的抗性基因，并且能在不同细菌间传播，复制，是让各种来势汹汹的抗生素无用武之地的罪魁祸首。

不过，经过几代分子生物学家数十年不间断的思bi想liang改wei造chang，如今质粒已经成为实验室里最重要的分子生物学工具之一。作为外源基因载体，质粒被广泛作用在各种目的的分子生物学实验中，把科学家需要的基因带进细胞，让基因发挥作用，达到改造生物体的效果。听着很耳熟是吧？没错，质粒就是近乎一切基因操作技术，包括转基因技术和基因编辑技术的核心元件，而它的极端重要性，也让它当之无愧的成为今天这篇文章的主题。

DNA的长度通常用碱基对数量（base pair，bp）来表示。质粒的大小，也就是构成质粒的环状DNA链长度，通常从几千个bp到几万个bp不等。这样的长度，足够容纳下进行基因操作所必需的元件了。下面，我们就用一个具体的质粒来介绍质粒分子里到底有些什么组成部分，又都具有什么样的功能。

用于生物工程的质粒可以在实验室中自己构建，也可以设法获取其他实验室已经构建好的质粒。由于互联网技术的普及，目前进行基因编辑或者转基因的生物学家，通常会在网上进行问询，比如addgene这个网站，就是一个拥有相当规模的在线质粒库。在addgene，你可以查询质粒的具体信息，并进行在线订购。如果您是土豪，完全可以在家配备完整的生物学仪器设备，在家里自己玩基因编辑，转基因，想想还有些小激动呢。

基因编辑大本营addgene

就像任何一个普通的网站一样，对内容进行搜索都是最基本的功能。Addgene也一样，通过搜索，我们能很容易找到自己想要的质粒，并获取关于这个质粒的全部信息。最近几年，最热的基因技术莫过于CRISPR/CAS9技术，但这个最先进的基因编辑技术，但却依然要用到“古老”的质粒。基因编辑大神张峰在MIT的实验室为addgene提供了两款基本的表达质粒：px458bb和px459bb。我们就先拿px459来举例说明。

在http://www.addgene.org/62988/这个页面，提供了px459bb的几乎所有必要信息，包括圆形的质粒示意图，质粒的用途，发布人，相关发表的相关文章，以及质粒的具体DNA序列。不过，通常情况下，一个圆形的示意图就足够让我们对这个质粒有大致了解了。

俗话说，天下文章一大抄，质粒上的基因元件虽然多，但多数都是从天然来源的基因改造而来，仅有极少一部分是完全由人创造，虽然这一部分创造的序列往往具有重要功能。

按顺时针方向，首先我们看到的，是两个连在一起的元件，U6 promotor和gRNA scaffold，翻译过来就是U6启动子，和gRNA骨架。还记得我们生物学的中心法则吗？

你还记得大明湖畔的中心法则吗？

一个基因需要发挥作用，首先就要从DNA转录成RNA，而启动子就是细胞用于启动基因转录的序列。gRNA（GuideRNA, 向导RNA）骨架则是CRISPR/Cas9技术的两个重要元件之一，将它和特定基因的部分序列相结合，就能指挥Cas9这把分子剪刀，精准的切割DNA，达到基因编辑的目的。

接下来，是CMV enhancer，chicken β-actin promotor。嗯，这个启动子promotor我们算是认识了，enhancer又是什么呢？这是一类加强基因转录效率的元件，被称作增强子，能让需要转录的基因在细胞中大量的转录，最终翻译出非常多的蛋白质，保证基因功能的有效发挥。有意思的是，虽然这两个元件能够在同一个质粒中共同努力构建和谐社会（划掉）共同促进基因转录，但他们一个来源于巨细胞病毒CMV，另一个却来源于家鸡chicken。这种求同存异，英雄不问出处的人生哲学，值得蓝星人学习。

在增强子和启动子之后，那长长的一条，就是本质粒的绝对主角Cas9基因啦，不过在cas-9基因的开头，人们为它加上了几个小部件，包括用于检测cas9蛋白质表达的三个flag片段（呃，不是那种回老家结婚的flag）以及让它老老实实呆在细胞核里的核定位序列NLS (Nuclear Localization Sequence)。为什么要cas9基因表达出来的蛋白呆在细胞核里呢？因为它是切割基因组DNA的乙方，而充当甲方的基因组DNA大爷在细胞核里啊。

Cas9基因的末尾，是另一个NLS和嘌呤霉素抗性基因PuroR，而两个基因之间用一个被称作T2A的小片段隔开。T2A也是非常重要的质粒元件，它的作用是能让两个同时转录的基因分开表达，不相互影响功能。PuroR能为真核生物细胞提供对嘌呤霉素的抗性，由于Cas9和PuroR两个基因是同时转录出来的，因而表达了Cas9的细胞，也必然表达PuroR基因。有了这样的关系，我们就可以借助抗生素筛选出成功表达了Cas9的细胞，这对于后续的各类实验都是非常有帮助的。

利用T2A同时独立地转录两个基因

最后的aav ITR和其他一些元件，则是主要用于将质粒包装进载体，以及在细菌中制备，这里就不再赘述了。如果读者能耐心的看到这里，恭喜你，你已经知道质粒是如何构成的了。通过不同的方法，将做好的质粒导入细胞，就能实现转基因啊，基因编辑啊，RNA干扰啊等等各种骚操作啦！

预告：下一讲，我们将利用质粒，在纸面上实现一个最简单的基因编辑…

后记：基因编辑，转基因，基因沉默，这些技术看似千变万化，实则万变不离其宗，而质粒就是实现这些技术的通用工具，其重要性不言而喻。老美编的分子生物学实验手册，有一大半都是和质粒有关，想要不被各路文章忽悠，想要知道基因技术真正的奥秘，就得从了解质粒开始。