同源重组技术（homologous recombination，HR）是较早使用的基因编辑技术，其原理是将外源性目的基因导入受体细胞，通过同源序列交换，使外源性 DNA 片段取代原位点上的基因，从而达到使特定基因失活或修复缺陷基因的目的。由于 HR 效率极低，且出错率高，因此其应用受到了一定的限制。

20 世纪 80 年代末、90 年代初，人们发现通过在特定的基因组靶点诱导双链断裂（double-stranded break，DSB），能在染色体水平上实现高效和准确的基因修饰。DSB 被诱导后，细胞内将启动两种主要的修复机制：非同源末端连接（nonhomologous end joining，NHEJ）和同源定向修复（homology directed repair，HDR）。NHEJ 不依赖模板直接连接 DNA 两端，可以在 DSB 位点有效产生不同长度片段的插入或缺失，通常导致基因功能失活；而在 HDR 中，断裂链依赖于模板进行定向修复，可以实现特定位点的精确插入、缺失或者碱基置换。
 

此后，科学家便专注于开发各种基于核酸内切酶机制的基因编辑技术，以实现对特定基因组位点 DSB的精确诱导。

主要基因编辑技术及原理 1. 锌指核酸酶（ZFN）

• 结构：由 “锌指蛋白（DNA 识别域）” 和 “FokI 核酸酶（切割域）” 组成。
• 原理：
  • 锌指蛋白通过识别特定的 DNA 碱基序列（每 3 个碱基对应一个锌指结构），精准结合到目标基因位置。
  • 两个 ZFN 分子分别结合到目标序列的两侧，FokI 核酸酶在二聚化后发挥活性，切断双链 DNA。
  • 细胞通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HDR）修复断裂的 DNA，从而实现基因的插入、删除或替换。

2. 转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）

• 结构：由 “TALE 蛋白（DNA 识别域）” 和 “FokI 核酸酶（切割域）” 组成。
• 原理：
  • TALE 蛋白的识别单元由 34 个氨基酸组成，其中第 12 和 13 位氨基酸（重复可变双残基，RVD）决定其识别的碱基（如 NI 识别 A，NG 识别 T 等），通过串联不同 RVD 的单元，可精准识别任意 DNA 序列。
  • 与 ZFN 类似，两个 TALEN 分子分别结合目标序列两侧，FokI 二聚化后切割 DNA，再通过细胞修复机制实现基因编辑。

3. CRISPR-Cas 系统（目前应用最广泛）

• 核心组成：CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）和 Cas（CRISPR 相关蛋白，如 Cas9）。
• 原理：
  • 识别阶段：人工设计的 sgRNA（单引导 RNA）通过碱基互补配对，精准结合到目标 DNA 序列，同时引导 Cas9 蛋白定位到该位置。
  • 切割阶段：Cas9 蛋白具有核酸酶活性，可在 sgRNA 结合的位置切断双链 DNA，产生平末端断裂。
  • 修复阶段：
    • 非同源末端连接（NHEJ）：细胞快速修复断裂，但容易引入碱基的插入或缺失，导致基因功能失活（常用於敲除基因）。
    • 同源重组（HDR）：若提供含目标序列的同源模板，细胞会以模板为参照修复 DNA，实现基因的精准插入或替换（常用於基因敲入）。