读2025世界前沿技术发展报告49基因编辑

1. 基因编辑

1.1. 基因编辑又称基因组编辑，是一种通过定向修饰生物体基因组以实现精准遗传调控的技术，其核心是利用工程化核酸酶（如CRISPR-Cas9）靶向切割DNA，借助细胞自身的DNA修复机制完成基因敲除、插入或替换

1.2. 技术的快速发展也伴随着安全风险和伦理挑战，特别是胚胎编辑、生态风险和社会公平等议题引发持续关注

2. 基因编辑系统和工具

2.1. 基因编辑系统和工具呈现多元化、精准化和智能化的发展趋势

2.2. 基因编辑技术在工具创新和系统改进方面取得显著进展，呈现多元化、精准化和智能化趋势

• 2.2.1. 新工具的开发不断突破功能边界，适应更复杂的应用场景，同时通过优化设计提升了效率和精准度

• 2.2.2. 系统改进聚焦自动化、智能化和规模化，降低了操作门槛和风险，并扩大了适用范围

• 2.2.3. AI技术的深度融合加速了工具和系统的迭代升级，特别是生成式AI在新编辑器和抑制剂发现中的首度应用，显著提升了响应多样化需求的效率和精准度

2.3. 美国首家AI蛋白质设计公司Profluent发布全球首个利用生成式AI创建的基因编辑器OpenCRISPR-1

• 2.3.1. 该编辑器基于大语言模型设计研发，能够精确编辑人类基因组，并将编辑脱靶率降低了95%

2.4. “编辑广谱拮抗剂”​（Broad-Spectrum Antagonists for Editors，B-SAFE）计划

• 2.4.1. 旨在开发新型广谱抑制剂，实现对基因编辑过程的精确控制

• 2.4.2. 将为多类别、多类型、多物种的基因编辑器开发高效抑制剂平台技术，以提升其活性、实用性和覆盖范围

• 2.4.3. 利用深度学习等计算能力，加速新型基因编辑器抑制剂的发现和开发

2.5. 沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）开发出提高CRISPR基因编辑安全性和准确性的策略

• 2.5.1. 已被批准用于临床治疗遗传性血液疾病，标志着CRISPR技术改进取得重要进展

2.6. 澳大利亚悉尼大学成功开发出新型基因编辑工具SeekRNA，其准确性和灵活性优于传统CRISPR技术

• 2.6.1. 已在细菌中验证有效，未来计划探索其在人类真核细胞中的应用潜力

2.7. 中国科学院天津工业生物技术研究所开发出在线自动化设计工具AutoESDcas，专门用于CRISPR基因编辑实验

• 2.7.1. 特别适用于高通量基因编辑平台的大规模基因组编辑

2.8. 美国得克萨斯大学西南医学中心（University of Texas，Southwestern Medical Center at Dallas，UTSW）开发出脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticle，LNP）递送系统，用于基因编辑试剂的高效传递

• 2.8.1. 成功矫正了囊性纤维化的修饰基因组

2.9. 美国博德研究所开发出改进版的先导编辑技术eePASSIGE，能够在人类细胞中高效插入或替换长达数千碱基对的完整基因大小的DNA片段

• 2.9.1. 结合了先导编辑与新型重组酶，使基因编辑效率显著高于现有方法

• 2.9.2. 其优势在于可为同一基因的数百种突变设计单一基因疗法，或实现精准的靶向基因整合，为基因治疗提供了新的高效工具

2.10. 美国麻省理工学院、哈佛大学和博德研究所联合开发出基于素数编辑技术的基因编辑方法，能够精确、持久地纠正人肺细胞中囊性纤维化最常见的突变基因

• 2.10.1. 可在基因组中实现长达数百个碱基对的插入、删除和替换，且几乎无多余副产物，为囊性纤维化的永久性治疗提供了新策略

2.11. 美国哈佛大学开发出升级版基因编辑系统，可将完整基因精准插入细胞DNA的指定位置，无需针对每种突变逐一修改

• 2.11.1. 将基因整合效率提高了4倍，突破了哺乳动物细胞基因组大片段定点整合的效率瓶颈，提升了大基因片段整合的效率和精确度，为基因编辑和基因治疗提供了新的技术支持

2.12. 美国博德研究所和怀特海生物医学研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research）开发出紧凑型表观遗传沉默器CHARM

• 2.12.1. 基于表观遗传干预的治疗方式，为蛋白质毒性积聚引发的疾病提供了新的治疗思路

2.13. 清华大学医学院与药学院开发出新型脱靶效应检测技术Tracking-seq

• 2.13.1. 揭示了不同细胞类型、不同编辑工具间存在的脱靶效应异质性

• 2.13.2. 为基因编辑在基因治疗等领域的安全应用提供了重要理论参考及技术支持

2.14. 美国博德研究所张锋团队展示了Fanzor蛋白在不同生物中所表现出的分子多样性，并解析了其通过RNA引导的DNA切割机制

• 2.14.1. 不仅深化了对Fanzor家族分子机制的理解，还为未来基因编辑工具的设计提供了新思路

2.15. 利用AlphaFold预测了近7万个病毒蛋白质的3D结构

• 2.15.1. 揭示了感染真核生物的病毒和噬菌体共用一种古老且保守的免疫逃逸机制，为开发新型抗病毒疗法提供了理论基础

2.16. 瑞士苏黎世大学（University of Zurich）基于蛋白质工程和AI模型，利用TnpB蛋白开发出一种更紧凑、更高效的基因组编辑工具

• 2.16.1. 其DNA编辑效率是CRISPR-Cas系统的4.4倍，且可靶向更广泛的DNA序列，能更高效地编辑哺乳动物细胞的DNA

• 2.16.2. 为治疗严重遗传性高胆固醇血症提供了潜在的基因编辑疗法

2.17. 开发出新的AI平台EVOLVEpro，显著提升了蛋白质设计的精准度

• 2.17.1. 结合深度学习和主动学习策略，降低了对实验数据的依赖，提高了突变体筛选效率，并在RNA生产、基因编辑和抗体结合等领域将目标特性提升了100倍，同时几乎完全消除了基因编辑工具的脱靶效应

• 2.17.2. 在抗体优化和基因编辑工具改良方面表现出色，为跨领域应用提供了新可能

2.18. 美国博德研究所通过定向进化开发出第五代工程化类病毒颗粒v5 eVLP

• 2.18.1. 该载体融合了病毒和非病毒载体的优势，具备更高的RNP包装能力和递送后的释放效果，递送效率较前代提升2～4倍，同时显著降低了脱靶效应

2.19. 美国加利福尼亚大学圣迭戈分校开发出可远程控制的定制CRISPR工具包，结合聚焦超声技术实现对基因编辑的精准操控

• 2.19.1. 结合SynNotch CAR-T细胞疗法，可精准靶向癌细胞，减少对健康细胞的损伤

3. 拓展生物医学、农业生产与生物制造的应用边界

3.1. 在异种移植、遗传病治疗和免疫疗法等领域取得突破，为难治性疾病治疗提供解决方案

• 3.1.1. 中国异种器官移植供体产学研用基地完成首例基因编辑猪-猴异种心脏移植手术

• 3.1.1.1. 术后移植的猪心脏在受体猴体内有力跳动，并实现了静脉、动脉的血液循环功能

• 3.1.1.2. 不但可帮助检测供体猪心脏的质量，而且能够同时检测猪心脏和猴心脏的免疫排斥反应

• 3.1.2. 美国开发出一种新的CRISPR-Cas9精确靶向递送方法，使用包膜递送载体将Cas9和gRNA蛋白安全高效地递送至靶细胞核，实现精准基因组编辑

• 3.1.3. 荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）利用CRISPR基因编辑技术成功从感染HIV的细胞中清除了病毒

• 3.1.4. 首次将eGenesis公司提供的基因工程猪肾移植到活体人类体内，该手术成为器官移植领域的一个重要里程碑

• 3.1.4.1. 使猪基因组中的内源性逆转录病毒失活，以降低感染风险并提高器官与人类的相容性

• 3.1.5. 完成了首例基因编辑猪肾移植与机械心脏泵植入的联合手术

• 3.1.5.1. 不仅能避免免疫排斥，还能通过传统繁育方法繁殖后代

• 3.1.6. 上海交通大学医学院附属第九人民医院启动了全球首个基于基因编辑的先天性耳聋治疗临床试验

• 3.1.6.1. 该试验采用RNA编辑技术修复导致耳聋的OTOF基因突变，仅在mRNA水平进行修复，无需永久改变基因组，从而提高了治疗的安全性

• 3.1.7. 评估了CRISPR基因编辑疗法EDIT-101的安全性和有效性

• 3.1.8. 利用CRISPR基因编辑技术，将人体免疫细胞B细胞变成体内的微型监测机器和“抗体工厂”​，生产专用抗体来摧毁癌细胞或艾滋病病毒

• 3.1.8.1. 还可调整用于生产其他抗体，有望治疗阿尔茨海默病、关节炎等疾病

• 3.1.9. 中国首次通过基因编辑治愈外籍患者

• 3.1.10. 中国成功治疗了一例难治性坏死性肌病患者和两例弥漫性皮肤系统性硬化症患者

• 3.1.10.1. 国际上首次报道异体通用型CAR-T细胞成功治疗自身免疫疾病

• 3.1.11. 东京大学开发出基于CRISPR基因编辑技术的CIBER系统，可分析细胞间通过小细胞外囊泡进行的通信

• 3.1.12. 美国纽约大学朗格尼健康中心宣布成功完成全球第三例基因编辑猪肾脏人体移植

3.2. 加速应用于动物抗病育种、作物改良和分子育种，推动农业生产向高效、可持续方向发展

• 3.2.1. 英国动物育种领导企业Genus成功培育出能抵抗致命病毒的基因编辑猪，实现了从概念验证到商业化的重大突破

• 3.2.2. 中国农业科学院生物技术研究所开发出一种新的基因编辑工具，可在水稻中高效组装并编辑数十个靶位点

• 3.2.2.1. 该超多重基因组编辑系统能够针对不同代谢或调控途径的基因，产生新的表型变异

• 3.2.3. 美国利用CRISPR-Cas9编辑甘蔗的LG1基因，微调叶片角度以增加光合作用效率，从而提升生物量

• 3.2.4. 中国通过基因编辑技术成功优化了大豆的生物固氮能力，使大豆多长根瘤、少施化肥，产量提升10%～20%，蛋白含量增加1～2个百分点

• 3.2.4.1. 被誉为“育种界的5G”​，有助于提高国内大豆单产水平和生物固氮能力，减少化肥使用

• 3.2.5. 美国利用植物基因组中的转座因子将定制DNA高效整合到植物基因组中，可提高植物抗病性、营养水平或优化油成分，从而提高农业可持续性

• 3.2.6. 中国科学院东北地理与农业生态研究所开发出基于CRISPR-SpRY的无PAM限制基因编辑系统，突破了传统基因编辑的局限性

• 3.2.7. 中国通过基因编辑这两个基因，可使番茄果实糖含量增加高达30%，且不影响单果重和单株产量，为解决番茄育种中品质与产量兼顾的难题提供了新思路

3.3. 优化微生物代谢特性，为高效生物制造及绿色生物转型提供新策略

• 3.3.1. 丹麦开发出新型CRISPR-Cas工具包pAblo·pCasso

• 3.3.1.1. 显著扩展了适用于碱基编辑的基因组位点范围，并在革兰氏阴性细菌中实现了精确且可逆的DNA编辑

• 3.3.1.2. 为基因工程提供了前所未有的精度和灵活性，为细菌工程领域带来了新的可能性，有望推动工程细菌在高效、可持续生物生产中的应用，助力生物经济的绿色转型

• 3.3.2. 中国为赤藓糖醇的工业化高效生产提供了极具潜力的菌株，并为其他功能性糖的生物合成提供了新的策略

• 3.3.3. 美国马里兰大学（University of Maryland）利用基因编辑技术将杨树的木质素含量降低了12.8%，并通过水浸泡与热压的无废化学处理工艺，制备出高密度木材

• 3.3.3.1. 不仅开发了一种高性能结构材料，还在多方面提升了碳封存能力，为减少二氧化碳排放和推动负碳排放生物经济提供了新的策略

3.4. 应用于病媒控制和疫苗研发，助力动物健康与传染病防控

• 3.4.1. 乌拉圭利用CRISPR基因编辑系统开发了基因驱动技术，可操纵生殖过程，使特定基因传播得更远、更快

• 3.4.2. 美国利用基因编辑技术生成了超过8万种血凝素蛋白变体，引导免疫系统针对流感病毒表面变异较少的区域产生反应

• 3.4.2.1. 该疫苗在小鼠和雪貂模型中表现出良好的保护效果，为开发具有广泛保护性和持久性的流感疫苗提供了新思路

• 3.4.2.2. 有望助力通用、持久流感疫苗的研发

• 3.4.3. 美国利用基因编辑技术，将一种常见皮肤细菌改造为可产生破伤风疫苗抗原的菌株

• 3.4.3.1. 菌株只需涂抹于皮肤，即可发挥类似疫苗的效果，无需注射

• 3.4.3.2. 该研究为开发新型局部疫苗提供了新思路，有望为全球疫苗接种方式带来革命性变化

4. 安全风险和伦理问题

4.1. 基因编辑技术的快速发展带来了深远的伦理挑战、监管调整与社会治理需求

4.2. 当前全球基因编辑技术呈现出技术突破与监管体系完善并行推进的重要态势

4.3. RISPR技术存在脱靶突变和嵌合体风险，可能对胚胎、家庭及社会产生负面影响，甚至通过遗传引发新的疾病和健康问题

4.4. 目前可遗传的多基因编辑仍处于理论阶段，面临技术限制、遗传多样性、社会伦理等挑战

4.5. 新西兰商业、创新和就业部（Ministry of Business，Innovation and Employment，MBIE）目前正在积极修订新的基因技术法规，计划参考澳大利亚的模式，根据风险等级对基因编辑产品进行分类监管，并设立专门的监管机构，确保技术应用对人体健康和环境安全的影响得到有效控制

4.6. 研究强调公众参与对基因编辑政策制定、修订立法和科学民主化的重要性，并建议更多关注收集公众价值观，扩大公众参与范围