随着科研人员对CRISPR/Cas系统机制的认识不断深入，基因编辑工具的开发、改造和应用呈爆发式增长。目前，CRISPR/Cas相关的工具在基因编辑、转录调控、表观遗传学修饰、RNA编辑和核酸检测等多个研究领域均有重要应用。近年来，以改变基因组DNA序列为目标的基因编辑工具的开发更是突飞猛进，除最基本的Cas核酸酶外，单碱基编辑器(Base editors)、Cas转座及*酶系统和引导编辑器(Primeeditors)的出现让基因编辑有了更多选择。此外，研究者也正针对各类工具在编辑活性、编辑范围和编辑特异性中的不足之处加以改进。CRISPR技术已经成为精准农业和现代植物分子生物学研究必需的手段，其高效性、特异性、精确性和安全性给现代农业发展、设计育种等带来了革命性影响。
1、新一代CRISPR基因编辑技术更多样化，有助于应用工具的合理选择和针对性优化
2020年3月，加拿大多伦多大学科学家开发出CRISPR基因编辑新工具CHyMErA，可同时靶向多个基因位点和基因片段，适用于任何类型的哺乳动物细胞。CHyMErA结合了Cas9和Casl2a两种不同DNA切割酶的优点。其中，Cas9具有非常高的编辑效率；Casl2a可在同一细胞中生成多个引导RNA(gRNA)，以在多个位点同时进行DNA编辑。相关研究成果发表于《自然·生物技术》期刊。
2020年6月，美国约翰·霍普金斯大学科学家开发出一种通过光诱导控制CRISPR/Cas9基因编辑工具的新技术vfCRISPR，可在亚微米空间尺度及秒时间尺度上精确控制基因编辑。研究人员在常规CRISPR/Cas9系统中加入光敏基团，一旦进行光诱导，光敏基团就会解离，Cas9核酸酶会发挥活性快速切割目标DNA。vfCRISPR不仅具有时间可控性，还可提供较高的空间分辨率，能够在编辑两个等位基因中的其中之一时确保另一个基因的完好性。相关研究成果发表于《科学》期刊。
2020年6月，美国博德研究所(BroadInstitute)研究团队将深度学习模型与基因编辑技术结合，可准确预测碱基编辑基因型结果和效率，有助于编辑工具的持续改进。研究人员在哺乳动物细胞中38538个基因组整合靶标上表征了11个胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑器(CBE和ABE)的序列-活性关系，并使用所得结果训练了一种机器学习模型BE-Hive。利用该模型，研究人员发现了以前无法预测的C-to-G或C-to-A编辑的决定因素，并以超过90%的准确性纠正了174个病原性单核苷酸变异(SNV)的编码序列。相关研究成果发表于《细胞》(Cell)期刊。
2020年7月，中国华东师范大学研究团队开发出一套远红光激活的split-Cas9基因编辑系统，可无创性地诱导动物组织深处细胞中的基因编辑。该系统依赖于两个具有高亲和力结合域的分裂Cas9融合蛋白。Cas9的一半是组成性表达的，而另一半由该研究团队先前建立的细菌光敏色素BphS光学控制系统的FRL诱导控制。实验证明，该系统能在位于动物皮下组织的细胞中强有力地激活基因编辑。该研究扩展了哺乳动物细胞基因编辑的光遗传学工具，可实现器官和肿瘤的远程基因编辑。相关研究成果发表于《科学进展》期刊。
2020年7月，美国麻省理工学院和哈佛大学的研究团队发现细菌毒素DddA可将胞嘧啶（C)转化为尿嘧啶（U)。DddA可直接作用于双链DNA，无须依靠Cas9酶来进行破坏。基于此，该研究团队开发出首个非依赖CRISPER 碱基编辑器的线粒体基因编辑工具DdCBE，实现了对线粒体基因组的精准编辑。相关研究成果发表于《自然》期刊。
2020年10月，英国沃里克大学(The University of Warwick)和德国基尔大学的研究团队基于CRISPR基因编辑系统，开发出一种可检测基因活性的基因传感器。该设备可检测细胞内基因的“开启”或“关闭”，并对其变化做出动态反应，使之成为一个潜在的监控系统。研究人员用CRISPR中负责序列识别和结合的可编程部分（gRNA)作为支架，通过将传感器引入gRNA序列中来对其进行重新设计，使CRISPR复合物只有在被如病毒RNA序列的短片段等触发信号激活后才能与DNA靶点结合。相关研究成果发表于《CRISPR》期刊。
2.研究人员致力于降低CRISPR系统的脱靶率，使基因编辑工具更加安全地应用于各种场景，加速临床和商业化进程
2020年5月，中国农业科学院深圳农业基因组研究所等机构的研究团队开发出高精度、高活性的新型单碱基编辑工具YEl-BE3-FNLS，可显著降低基因编辑脱靶效应。研究团队根据蛋白结构预测了基因编辑过程中决定脱靶的重要氨基酸，并在不影响催化活性的情况下突变相应的氨基酸，显著降低了脱靶效应并提高了编辑效率。该工具有望应用于遗传疾病基因治疗，推动基因编辑临床化应用。相关研究成果发表于《自然·方法》(NatureMerhods)期刊。
2020年6月，中国华东师范大学研究团队通过将两个脱氨基酶与一个Cas9切口酶融合来开发出腺嘌呤和胞嘧啶双碱基编辑器(A&C-BEmax)，以在同一目标位点实现C-to-T和A-to-G的碱基转换。与单碱基编辑器相比，A&C-BEmax使腺嘌呤的活性略有降低，而使胞嘧啶的活性较高，RNA脱靶活性大大降低。相关研究成果发表于《自然·生物技术》期刊。
2020年7月，中国科学院大学、中国农业科学院和美国莱斯大学的研究人员开发出一种可大幅提升基因编辑准确性的新技术——胞嘧啶碱基编辑器A3G-BE。该技术通过仅编辑连续胞嘧啶碱基（C)中的第2个胞嘧啶，大大提高了编辑精度。在含有致病突变的细胞模型实验中，A3G-BE的表现明显优于BE4max(目前被认为是最先进的碱基编辑器)。该技术的精确编辑程度或将对治疗遗传病做出重大贡献。相关研究成果发表于《科学进展》期刊。
2020年8月，美国加州大学伯克利分校(University of California Berkeley，UCBerkeley)和博德研究所的研究团队利用冷冻电镜技术(cryoEM)，以3.2埃的分辨率解析了ABE8e结合DNA时的3D结构，揭示了ABE8e容易产生脱靶的原因，即连接在Cas9上的脱氨酶始终处于激活状态。Cas9在细胞中找到预定目标之前，会不断结合并释放成百上千个DNA片段。该成果将为众多从Cas9衍生的基因编辑工具提供设计指导，有助于带来更方便、更可控、更有临床应用价值的基因编辑工具。相关研究成果发表于《科学》期刊。
2020年9月，美国得克萨斯大学(University ofTexas System)、美国加州大学和韩国高丽大学(Korea University)的研究团队开发出一种筛选工具“DNA序列库”，可针对不同应用场景选择最佳的CRISPR基因编辑酶，使CRISPR基因编辑技术更安全、便宜和高效。该研究团队开发的“DNA序列库”可测量每种CRISPR酶的准确度、精确度及其编辑过程所用时间等，以帮助科学家比较不同的酶，选择最安全和高效的基因编辑工具。相关研究成果发表于《自然·生物技术》期刊。
3.基因编辑技术不断攻克各类疾病难题，纳米递送戴体进一步降低了该技术进入临床应用的风险2020年2月，中国浙江大学和中国科学院生物物理研究所研究团队利用CRISPR基因编辑技术成功地抑制了肿瘤生长。研究人员开发出一套依赖于腺嘌呤脱氨酶和CjCas9酶的碱基编辑器(CjABE)，以减少在修复DNA双链断裂时造成的碱基错配。该研究使用腺相关病毒(AAV)作为CjABE的表达载体，精准修正了恶性胶质瘤细胞端粒酶基因启动子区域的致癌突变，从而抑制肿瘤细胞的分裂，诱导肿瘤细胞的衰老及凋亡。该研究揭示了端粒酶基因启动子区域突变是肿瘤精准治疗的靶点，开创性地利用基因编辑修正癌变基因，为癌症治疗提供了新思路。
2020年3月，中国北京大学神经科学研究所科学家利用基因编辑技术，在实验大鼠脑中实现了特定记忆精准删除。该研究在两个不同的实验箱里诱发大鼠对箱子的恐惧记忆，进而将基因编辑技术与神经元功能标记技术结合，通过对特定印记细胞群进行基因编辑，精确删掉大鼠对其中一个箱子的记忆，而完好保留其对另外一个箱子的记忆。该研究有望为慢性痛、成瘾等以“病理性记忆”为特征的疾病治疗提供新思路。相关研究成果发表于《科学进展》期刊。
2020 年4月，美国得克萨斯大学西南医学中心(The Universiy of Texas,Southwestern Medical Centerat Dallas)研究团队提出了对靶向遵送脂质纳米粒(LipidNanoparicles，LNPs)的普适性设计原则（SORT)。SORT 可以对含有核酸疗法的LNPs进行精准地、可预测地优化，使其快速实现肝、肺和脾的mRNA靶向通送和CRISPR/Cas9介导的基因编辑，且无须进行大规模体内外实验筛进。SORT技术的发现实现了将RNA纳米颗粒可预测地靶向传递到特定器官，有望推动蛋白质替代和基因校正疗法的发展。相关研究成果发表于《自然·纳米技术》期刊。
2020年6月，中国空军军医大学西京医院牵头，联合杭州启两生物科技有限公司、四川省医学科学院实验动物研究所、云南农业大学动物医学院的科学家，成功实施了多基因编辑猪一猴异种肝、心、肾器官移植手术。研究团队首次在国际上使用猪内源性逆转录病毒（PERV)敲除的13个基因修饰猪作为供体，将一个供体猪的肝、心、肾分别移植给3只恒河猴受体。截至2020年6月29日，移植肝和受体猴已存活16天，这是猪一猴辅助性肝移植国际最长存活时间。该研究为异种器官移植临床应用奠定了基础，有助于解决临床移植器官短缺难题。
2020年11月，以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University，TAU)的研究人员开发出基于脂质纳米颗粒(LNP)的新型递送系统，使用该系统进行CRISPR/Cas9基因编辑的效率可达84%以上，且能明显抑制肿瘤生长，使存活率提高80%。该研究首次证明，CRISPR基因编辑可有效治疗活体动物的癌症，经治疗后的癌细胞将永远失活，且无副作用，为癌症和其他慢性病毒性疾病的治疗和研究开辟了新途径。相关研究成果发表于《科学进步》期刊。
2020年12月，美国天普大学研究人员使用CRISPR基因编辑技术剔除了非人灵长类动物基因组中一种与人类免疫缺陷病毒密切相关的猴免疫缺陷病毒。研究人员设计了一种SIV特异的CRISPR/Cas9基因编辑结构，并将其包装成腺相关病毒9(AAV9)载体，形成可静脉注射的AAV9-CRISPR/Cas9，将其注射进SIV感染动物体内，可检测到基因编辑结构已分布到骨髓、淋巴结和脾脏等广泛组织中，并已到达CD4 T细胞病毒库。该项研究对开发人类艾滋病疗法具有重要意义。相关研究成果发表于《自然·通讯》期刊。
4.基因编辑技术可精确、快速地改善农作物的生物性状，有望推动农业变革2020年2月，中国农业科学院植物保护研究所研究人员利用单碱基编辑器开发出具有除草剂抗性的水稻新种质“洁田稻”。研究人员提出单碱基编辑技术介导的水稻内源靶标基因的定向进化技术理念，在水稻细胞内人工模拟自然界基因的长期进化过程，短时间内创制成千上万个靶基因的新等位基因材料，用于育种筛选。研究人员将筛选出的抗除草剂基因引入到水稻品种“南粳46”中，将其优化为通过苗期1~2次施药，生育期田间无杂草发生的“洁田稻”。相关研究成果发表于《分子植物》期刊。
2020年3月，美国加州大学戴维斯分校(UniversityofCalifomia,Davis，UCD)科学家利用CRISPR基因编辑技术改造出富含类胡萝卜素的水稻。该研究通过CRISPR/Cas9系统在水稻基因组的安全位置插入5.2kb类胡萝卜素生物合成元件，并且通过杂交获得无筛选标记的水稻植株。研究表明，其种子中的类胡萝卜素含量高，并在形态或产量方面均与野生型相似，同时全基因组测序揭示该工程水稻中C2as9不存在脱靶突变。相关研究成果发表于《自然·通讯》期刊。
2020年3月，美国马里兰大学(University of Maryland,College Park，UMD)和中国电子科技大学的研究团队利用CRISPR新基因簇成员Cas12b构建出简单、特异的植物基因组定向编辑系统。该研究针对水稻基因组结构及表达特性，构建了AaCasl2b、AacCasl2b、BthCasl2b共3种水稻基因组敲除、激活、抑制编辑新系统，并对3种Casl2b定向编辑系统的有效性、特异性和适用性进行了细致比较，进一步丰富了植物基因组定向编辑工具库，为CRISPR-Cas12基因组编辑系统在植物功能基因组研究及分子育种实践中的有效应用提供了理论基础及分子工具。相关研究成果发表于《自然·植物》期刊。
2020年5月，美国北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University,NCSU)科学家创建出一种新的CRISPR基因编辑技术，可在不引入外源Cas9DNA的情况下编辑农作物。研究人员借助“脂质转染”方法，通过带正电荷的脂质在CRISPR系统(Cas9和向导RNA)周围建立一种气泡。当注入生物体内时，该气泡与细胞膜结合并融合，从而将CRISPR系统推入细胞本身。该方法使用了Cas9蛋白本身，而不是通常的Cas9DNA序列，可减少脱靶编辑，且由此产生的农作物在技术上不被视为转基因生物。相关研究成果发表于《植物·细胞报告》(PlantCel Reports)期刊。
2020年9月，澳大利亚阿德莱德大学(The University of Adelaide)、英国詹姆斯·赫顿研究所(James Huton Institute，JHI)等研究团队开发出通过CRISPR 基因编辑技术迅速改善大麦品质的方法。该研究采用反向遗传学方法，使用CRISPR基因编辑技术改变大麦籽粒中负责制造β-葡聚糖的基因超家族，结果谷物品质、β-葡聚糖组成和含量均产生差异。该研究使科研人员进一步了解了大麦籽粒组成的关键基因，并能通过使用CRISPR技术改进大麦品质，推出最适合目标市场的新品种，促进食品和饲料工业的改善。相关研究成果发表于《植物杂志》(ThePlant.Journal)期刊。
2020年10月，中国农业科学院作物科学研究所利用CRISPR技术编辑小麦Ms2基因，彻底恢复了矮败小麦育性，为从优良矮败小麦群体和太谷核不育小麦群体中培育小麦新品种奠定了基础。相关研究成果发表于《植物生物技术杂志》(Journal of Plant Biotechnology) 期刊。
