基因组编辑是一组用于对细胞或生物体的脱氧核糖核酸进行靶向改变的技术。这些改变包括在选定的基因组位置进行替换、插入或删除。编辑可以改变某个基因、修改调控序列，或引入新的遗传信息。这类技术用于研究生物学功能、培育农业所需的性状，以及开发某些医学治疗方法。虽然基因组编辑常与成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）联系在一起，但它也包括较早出现的基于蛋白质的靶向系统，以及基于同源重组的方法。(genome.gov)
生物学原理
许多编辑系统将识别特定DNA序列的能力与切割或化学修饰DNA的活性结合起来。在基于核酸酶的编辑中，经过工程改造的酶会在靶位点造成断裂。最终产生的遗传改变在很大程度上取决于细胞的DNA修复机制，而不仅仅取决于DNA切割本身。因此，靶向某个特定位置并不意味着一定会得到单一、统一的编辑结果。(nature.com)
DNA发生双链断裂后，非同源末端连接及相关修复过程可能产生小片段插入或缺失。这些变化可以破坏编码序列，从而实现基因敲除。另一种途径是通过同源定向修复，利用提供的DNA模板引入指定的序列改变。不同结果所占的比例取决于靶序列、修复途径和细胞环境。因此，编辑产生的是人为诱导的突变，但具体产生了哪些突变，以及各自出现的频率，都需要通过实验验证。(nature.com)
发展历程与主要技术平台
早期的靶向基因组改造依赖同源重组，即引入的DNA与相似的基因组序列交换遗传信息。研究人员从20世纪70年代末开始开发其在实验室中的应用。由于靶向重组的效率可能较低，后续技术引入了可编程核酸酶，以提高选定位点的改造效率。(genome.gov)
锌指核酸酶将经过工程改造的DNA结合结构域与DNA切割结构域结合起来。转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）则采用另一种模块化的DNA识别系统。两者都需要针对所选序列设计和改造靶向蛋白质。相比之下，CRISPR系统利用向导RNA，将Cas9等CRISPR相关核酸酶引导至互补的DNA序列，因此主要通过改变向导序列，就能更换靶位点。这些系统由微生物的防御机制改造而来。(genome.gov)
研究人员于2012年展示了一种可编程的CRISPR–Cas9切割系统，随后将其应用于哺乳动物细胞。埃马纽埃尔·沙尔庞捷和珍妮弗·杜德纳因开发基因组编辑方法而获得2020年诺贝尔化学奖。CRISPR使靶向改造技术更易于使用，但并未消除评估其特异性和修复结果的必要性。(nobelprize.org)
碱基编辑与先导编辑
碱基编辑能够改变特定的DNA碱基，而无须在靶位点造成双链断裂。2016年报道的胞嘧啶碱基编辑器将经过改造的Cas9与胞苷脱氨酶结合，使C–G碱基对能够转换为T–A碱基对。随后出现的腺嘌呤碱基编辑器则实现了A–T向G–C的转换。这些编辑器是否适用，取决于所需的替换类型，以及可编辑碱基在酶活性窗口内的位置；邻近碱基也可能发生非预期改变。(nature.com)
2019年报道的先导编辑将Cas9切口酶、逆转录酶和先导编辑向导RNA结合起来。这种RNA既负责识别靶位点，也编码预期的改变。最初的系统展示了全部十二种可能的碱基替换，以及靶向的小片段插入和删除，而无须造成双链断裂或另行提供供体DNA模板。其效率和非预期产物因靶位点及细胞类型而异；先导编辑并非在所有情况下都优于其他方法。(nature.com)
研究、农业与医学
在分子生物学中，编辑技术使研究人员能够破坏基因功能、引入变异，并考察这些改变在细胞和模式生物中的影响。比较编辑后的系统与对照系统，有助于研究基因功能和疾病机制。农业应用包括改造植物的抗病能力、营养特性，以及对环境条件的响应。基因组编辑可以改变现有序列，而不一定需要添加来自其他物种的基因。(genome.gov)
在基因治疗中，编辑既可以在体外进行，即从患者体内取出细胞，编辑后再将其回输；也可以在体内进行，即将编辑工具递送至体内细胞。2023年12月8日，美国食品药品监督管理局（FDA）批准Casgevy用于治疗年满十二岁、患有镰状细胞病且反复发生血管闭塞危象的患者。这是首个获得FDA批准的CRISPR–Cas9疗法。该疗法对患者的造血干细胞进行编辑，在患者接受预处理后将细胞回输，从而增加胎儿血红蛋白的生成。(iris.who.int)
技术局限与治理
将编辑工具递送至适当组织仍是一项主要限制。编辑组分必须到达足够数量的靶细胞，同时避免引发不可接受的毒性或免疫反应。安全性评估还需考虑基因组其他位置的非预期改变，以及预定靶位点出现的不希望发生的结果。实验研究已记录到Cas9诱导断裂后发生的大规模缺失和复杂重排，这表明验证工作不能仅限于检测是否出现了预期的小范围编辑。(genome.gov)
在人类应用中，需要区分针对非生殖细胞的体细胞编辑，以及涉及生殖细胞或胚胎的生殖系编辑。如果经过编辑的细胞参与生殖，生殖系改造就可能遗传给后代。这两类编辑在安全性、知情同意以及对后代的影响方面，提出了不同的问题。2021年7月，世界卫生组织发布了相关建议和治理框架，涵盖机构监督、研究登记、国际协调及公众参与。这些建议属于国际指导意见，并非一套统一且具有约束力的全球监管制度。(genome.gov)