该项目描述一种利用近红外二区（NIR-II）光，来实现基因编辑操控的新技术。该技术可应用于细胞及动物水平的精准基因编辑， 可有效提高CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑时空特异性。

This project describes a new technology that can manipulate genome editing by light in the second near infrared window. The technology can be applied for precise genome editing at both cellular and animal level, and effectively promote spatiotemporal specificity of CRISPR/Cas9-mediated genome editing.

研究由浙江大学药学院平渊团队独立完成，成果 2020 年 2 月发表于《美国科学院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2020, 117, 2395-2405）。除项目负责人平渊（“百人计划”研究员，长聘副教授）外，主要完成人包括陈小红（博士研究生），陈宇轩（博 士研究生）及辛虎虎（博士后研究员）。

在此工作基础上，平渊课题组又将该光控基因 编辑技术成功拓展至肿瘤免疫治疗中，相关研究成果发表于《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2021, 2006003），并被选为前封面论文。

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图1 （a）光控基因编辑技术的主要元件；（b）光控基因编辑在小鼠体内应用示意。

图2 原理示意图

基于规律成簇间隔短回文重复序列（CRISPR）是细菌用来抵抗入侵病毒及外源DNA的一种天然免疫系统。科学家巧妙地利用CRISPR的工作原理并经改良后，成功实现了对哺乳动物细胞基因组的靶位点精准编辑。这种被称之为“魔法剪刀”的第三代基因编辑技术，因其高效精准、简单实用以及成本低廉等优势而斩获2020年诺贝尔化学奖，并已在一系列遗传病的治疗研究中显示出巨大潜力。然而，该技术作为基因治疗的工具运用至体内研究，却存在一系列缺陷，主要体现在基因水平和组织水平的“脱靶”编辑，即在所期望的基因组位点及治疗组织之外产生基因编辑。这两种水平的“脱靶”效应也为基因编辑技术临床转化的安全性提出了巨大挑战。

为同时解决以上问题，浙江大学平渊团队发明了一种近红外光控基因编辑技术。这种技术利用具有深部组织穿透的近红外II区光（波长大于1000nm），并通过结合可将编码基因编辑内切酶Cas9质粒传输至体内的递送载体，来精准控制在靶组织的基因编辑。该技术的原理是，利用递送载体本身可以吸收光能并将之转化为热能，来启动编码基因编辑工具质粒的转录过程（图1a）。也就是说，通过近红外光控制Cas9的表达，从而实现对特定的器官或组织进行基因编辑；在未有光照的非靶器官或组织，基因编辑几乎不会发生（图1b）。此外，由于这种光控技术可在细胞内产生足够行使基因编辑功能的Cas9量后停止表达，因而可以避免Cas9的过量表达，造成对基因组其他位点的剪切。因此，通过近红外光控，不仅可以降低对机体其他器官及组织的毒副作用，而且显著降低了在基因组水平的“脱靶”效应。

由于光控具有非侵入性、时空特异性和可逆性等特点，因此这种精准定位编辑的基因编辑技术具有广泛的应用前景，不仅能在精准基因治疗方面大显身手，同时在发育学、遗传学、生物化学、细胞生物学等基础学科研究方面也具有广阔的应用前景。此外，利用该技术在启动基因编辑过程中所产生的热能，可进行局部热疗与基因编辑的联合治疗。总而言之，这种新技术拓展基因编辑在生物医药领域的应用范围，为未来开发精准可控的基因编辑技术奠定了重要基础。