從救命神藥到“基因編輯嬰兒”，CRISPR為何成為爭議的漩渦丨直擊諾獎

2020年諾貝爾化學(xué)獎授予了埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納 ( Jennifer Anne Doudna），獲獎原因是開發(fā)了一種基因編輯的方法。

上一次這個名字進(jìn)入大眾視野，還是2018年11月的“基因編輯嬰兒”。

基因編輯技術(shù)是什么？

是誰發(fā)明了這個相當(dāng)于金礦的技術(shù)，又是誰讓它熠熠生光？為什么中間出現(xiàn)了利益之爭？ 卡彭蒂耶、杜德納和華人科學(xué)家張峰，有過怎樣的較量？

這些問題，將在本文一一解答。

如果盤點一下生命科學(xué)最近五年的大新聞，有一個詞是無論如何也繞不過去的，那就是“基因編輯”。

離我很遠(yuǎn)，不明覺厲，偏偏又經(jīng)常聽說——這也許是一般人對基因編輯的幾個印象。拋開媒體的種種稱贊反思深刻批判不談，咱今天就事論事地來講講，這基因編輯究竟是個什么東東，又能帶給我們些什么西西？

基因好好的，為什么要被編輯？

如果你想了解汽車某個零件的功能，你會怎么做？最簡單粗暴的辦法就是把這個零件拆了，改了或是多裝幾個，看看汽車會出現(xiàn)什么變化。

研究基因的過程差不多也是這回事：將生物的基因序列做某種改造，看看生物會因此出現(xiàn)什么變化，從而了解那個基因可能的功能。 把基因拆了、改了之類的操作，就可以叫做“基因編輯”。

不過，想拆螺母只要找個扳手，而編輯基因可就 艱難多了?；蚴菨摬卦诩?xì)長DNA鏈中的一段段序列。對于包括人類在內(nèi)的多細(xì)胞生物來說，DNA被細(xì)胞層層疊疊的膜結(jié)構(gòu)保護(hù)著，還有非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腄NA修復(fù)機制應(yīng)變?？梢韵胂?，細(xì)胞當(dāng)中的DNA猶如一個身處于城堡之中的“小公舉”，身邊還有一大堆仆從侍衛(wèi)保護(hù)，想對它做什么手腳，并不簡單。

動物細(xì)胞的DNA被層層疊疊的膜結(jié)構(gòu)保護(hù)著。：Mariana Ruiz/commons.wikimedia.org

因此數(shù)十年來，科學(xué)家一刻也沒有停止過尋找更高效的基因編輯工具。

派往基因的“特務(wù)”

經(jīng)過仔細(xì)研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，那保護(hù)DNA的堡壘里安保人員雖多，但好在智商捉急。比如當(dāng)基因受到損傷的時候，負(fù)責(zé)具體修復(fù)工作的蛋白質(zhì)只是在細(xì)胞里拉一段DNA過來跟損傷的DNA比對一下，如果兩者長得差不多，拉來的那段就被當(dāng)做模板拿去修復(fù)了。

上世紀(jì)八十年代，奧利弗·史密斯（Oliver Smithies）等科學(xué)家就想了一招：故意塞給細(xì)胞一堆“假模板”。他們首先根據(jù)需要人工合成一些DNA，并且故意把這些DNA序列設(shè)計得和某個基因的序列有點像，然后將它們?nèi)郊?xì)胞里面去。細(xì)胞果然沒讓人失望，真的就 拿“假模板”張冠李戴地修復(fù)了真的基因，結(jié)果把基因“修復(fù)”成了科學(xué)家所希望的樣子。

奧利弗·史密斯（Oliver Smithies），遺傳工程的奠基人之一，他也因此分享了2007年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。：Chemical Heritage Foundation/commons.wikimedia.org

這種被稱為“同源重組”的技術(shù)差不多就是最原始的“基因編輯”。只不過，這種“基因編輯”的前提是目標(biāo)基因要自己出現(xiàn)損傷并啟動細(xì)胞的修復(fù)機制。然而，DNA本就被重重保護(hù)，難得出現(xiàn)一丟丟損傷，你還要這損傷剛好出現(xiàn)在某個基因上，這種事可遇不可求呀。

不過，科學(xué)家的服務(wù)向來貼（xie）心（e）：你細(xì)胞的DNA不容易受損傷，我就幫你受傷嘛——送個“特務(wù)”去細(xì)胞里搞破壞就是了?？呻y的是得讓這特務(wù)只破壞科學(xué)家希望他破壞的基因，而不傷無辜吃瓜基因分毫。這樣高素質(zhì)的特務(wù)，當(dāng)時科學(xué)家費了老鼻子勁在自然界中找了二十幾年也沒找出來。

到了21世紀(jì)初，他們心一橫想，既然世上沒有，那干脆人工造好了。于是，兩個“ 人造特務(wù)”出現(xiàn)了：一個是Sangamo公司主導(dǎo)研發(fā)的“鋅指核酸酶”（Zinc-finger nucleases，ZFNs），令一個則是由全球眾多科學(xué)家一點一點搗鼓出來的“轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶”（tranion activator-like (TAL) effector nucleases，TALENs）。

ZFN（a）和TALEN（b）與目標(biāo)DNA結(jié)合示意圖。：Doi: 10.1016/j.tibtech.2013.04.004

ZFNs和TALENs都由兩個部分融合組成，其中一部分認(rèn)基因特別準(zhǔn)但是不懂破壞，另一部分破壞力超群但是臉盲。人們本希望這樣的組合可以各取所長，成為出色的人造特務(wù)。但實際用起來，ZFN太傻不好使喚，TALENs既不夠狠又不夠準(zhǔn)。雖然能湊活用，但常常令科學(xué)家吐血三升。

不行，還得換。

2003年，西班牙微生物學(xué)家弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica）給《自然》雜志投了個論文，慘遭拒稿。后來這篇論文又相繼投遞給了《美國科學(xué)院院刊》《分子微生物學(xué)》以及《核酸研究》等一系列期刊，但也都遭到了冷落。

弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica），CRISPR系統(tǒng)第一個發(fā)現(xiàn)者。：Roberto Ruiz/University of Alicante Image Workshop

原因無它，因為這個研究的結(jié)論實在是太奇怪了。

莫伊卡在論文中指出，細(xì)菌和古菌當(dāng)中廣泛存在一種免疫機制，可以記住之前感染過它們的病毒的基因特征，從而展開針對性的防御，大有“同一個招式不能對圣斗士用兩次”的意思。在當(dāng)時人們的觀念中，這些單細(xì)胞的細(xì)菌、古菌何德何能有這種厲害的免疫系統(tǒng)？

直到2005年，莫伊卡的研究成果才被個比較一般的學(xué)術(shù)期刊《分子演化雜志》所接收。從此以后，一個新的術(shù)語開始進(jìn)入了人們的視野——“規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)”（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），簡稱 CRISPR（讀作“克瑞斯破兒”）。[注1]

在隨后五六年里，CRISPR猶如一個吸引無數(shù)玩家參與的拼圖游戲，一塊又一塊的拼圖碎片被世界各地的玩家拼接到位。終于在2011年，屬于CRISPR的最后一塊關(guān)鍵碎片被?，敿~埃爾·卡彭蒂耶（Emmanulle Charpentier）拼了上去。 她的論文昭示了CRISPR作為基因編輯工具的實力——科學(xué)家們苦苦尋覓的那位“天然特務(wù)”，或許近在眼前了。

?，敿~埃爾·卡彭蒂耶（Emmanulle Charpentier），歐洲著名CRISPR專家，現(xiàn)代基因編輯技術(shù)的創(chuàng)始人之一。：Bianca Fioretti, Hallbauer & Fioretti/commons.wikimedia.org

技驚四座的CRISPR

當(dāng)時，全世界研究基因編輯（那陣子還叫遺傳工程）的專家正被用起來如砂石咯牙般的ZFNs和TALENs弄得苦不堪言，卡彭蒂耶的研究自然逃不過他們虎視眈眈的眼睛。不久之后，卡彭蒂耶就在美國微生物學(xué)學(xué)會上，遇到了那個后來為她帶來無數(shù)榮譽與爭議的人——詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）。

詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna），美國著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家與基因編輯技術(shù)專家，與卡彭蒂耶共同開創(chuàng)了第一代CRISPR/Cas9技術(shù)。：Mrl611/commons.wikimedia.org

杜德娜是加州大學(xué)伯克利分校的結(jié)構(gòu)生物學(xué)教授，在此之前主要研究跟RNA有關(guān)的生物大分子結(jié)構(gòu)。說起來，基因編輯只能算是她的“副業(yè)”，但是副業(yè)并不意味著業(yè)余。杜德娜與卡彭蒂耶合作不到一年時間，就發(fā)表了一篇在基因編輯史上里程碑性質(zhì)的論文。

在論文中，她們先是證明了一種擁有SpCas9蛋白的CRISPR系統(tǒng)（注：自然界不同細(xì)菌和古菌的CRISPR系統(tǒng)都有所不同）最適合作為基因編輯的工具，因此后來這套基因編輯工具又被稱為CRISPR/Cas9技術(shù)。之后，她們又用這套系統(tǒng)成功編輯了大腸桿菌的基因，結(jié)果表明CRISPR/Cas9比起之前的ZFN和TALENs高到不知道哪里去。 CRISPR進(jìn)軍基因編輯領(lǐng)域的第一槍，就此漂亮打響。

而當(dāng)杜德娜和卡彭蒂耶還在波多黎各談笑風(fēng)生時，一位來自麻省理工學(xué)院的科學(xué)家也敏銳地意識到了CRISPR的光輝前景，他的名字，叫做張鋒。

張鋒，CRISPR/Cas9技術(shù)創(chuàng)始人之一，世界最一流的CRISPR/Cas9專家，基因編輯技術(shù)的集大成者。：news.mit.edu

張鋒不是一般人。在哈佛讀本科期間，他師從于國際著名顯微成像大牛，差一點拿諾貝爾獎的莊小威。讀博時，他的導(dǎo)師是國際著名神經(jīng)學(xué)技術(shù)大牛，長期掙扎著想拿諾貝爾獎的卡爾·戴塞爾羅斯。博士后時期，他工作在國際著名分子生物學(xué)大牛，準(zhǔn)諾貝爾獎級研究者喬治·邱奇的實驗室。在麻省理工學(xué)院工作階段，他隔壁的實驗室則屬于一生多次與諾貝爾獎擦肩而過的魯?shù)婪颉ひ畠?nèi)施。

從高中開始，張鋒已經(jīng)接觸基因編輯領(lǐng)域。當(dāng)杜德娜與卡彭蒂耶率先發(fā)表出她們的學(xué)術(shù)成果時，其他人可能因為痛失先機而發(fā)出一聲哀嚎，而張鋒卻一眼就看出了她們成果里那個小小瑕疵。

的確，CRISPR/Cas9是個好特工，但是杜德娜她們還沒有把這個特工訓(xùn)練完全。對于細(xì)菌之類結(jié)構(gòu)簡單，DNA缺乏保護(hù)的細(xì)胞，當(dāng)時的特工或許可以勝任，但包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的各種動物的細(xì)胞有著層層膜結(jié)構(gòu)，DNA可謂身居堡壘之中，而杜德娜她們開發(fā)的CRISPR/Cas9根本就無法“潛入”堡壘深處，連DNA的面都別想見著，根本是有力使不出來。

張鋒對CRISPR/Cas9做了幾處微小而巧妙的修飾，一舉解決了這個問題。在杜德娜的論文發(fā)表后半年左右， 張鋒成了第一個用CRISPR/Cas9編輯哺乳動物細(xì)胞基因組的科學(xué)家。[注2]

可這下事情就比較微妙了，如果說杜德娜和卡彭蒂耶發(fā)現(xiàn)了一座金礦，那么張鋒就相當(dāng)于是最先找到了這個金礦中的金子。如果按照學(xué)術(shù)界誰先發(fā)現(xiàn)就歸誰的慣例， CRISPR/Cas9的發(fā)現(xiàn)，就成了一筆糊涂賬。

Cas9與引導(dǎo)RNA和目標(biāo)DNA結(jié)合時的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。：doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.001

名與利之歌：專利的游戲

化敵為友總是首選。一開始，張鋒及其盟友希望能拉攏杜德娜等人，他們合伙開了家名叫Editas Medicine的公司，想著到時候?qū)＠蚕?，豈不美哉?？上]過多久，杜德娜等人就和張鋒等談判破裂，單飛出去辦了一家名為Intellia Therapeutics的公司。兩個陣營關(guān)于CRISPR/Cas9的專利之爭，擺上了臺面。

按理說，杜德娜和卡彭蒂耶發(fā)表論文在先，申請專利也比張鋒他們早得多，優(yōu)勢很大。但這愣是被張鋒團(tuán)隊一套組合拳給破功了。首先，張鋒團(tuán)隊借助一系列司法解釋把CRISPR的專利拆成了好幾十份，從法理上把“金子”和“金礦”的所有權(quán)分了開來，然后又花錢走了專利審核的“快速通道”，讓他們的專利比杜德娜的更早獲得通過。最后，他們還巧妙運用了美國時任總統(tǒng)奧巴馬的一些新政策，提出這個專利的有效性要基于“誰先完成研究”而非“誰先申請專利”，為此張鋒瞬間掏出了過去兩年的詳細(xì)實驗記錄，明明白白地記錄著他早在杜德娜的論文發(fā)表之前就已經(jīng)走在了她的研究進(jìn)度之前（同學(xué)們，知道記實驗記錄的重要性了吧?。＿^了整整九個月，杜德娜團(tuán)隊才整理出自己的實驗記錄來加以反駁。

2016年初，張鋒的上司，博德研究所所長埃里克·蘭德爾寫了一篇爭議巨大的綜述《CRISPR英雄譜》，把張鋒拔高到了無以復(fù)加的位置，而杜德娜則被歸進(jìn)了為CRISPR基因編輯技術(shù)奠定基礎(chǔ)的蕓蕓眾生之中。那邊廂， 張鋒果斷宣布對學(xué)術(shù)界開放CRISPR/Cas9基因編輯的專利，只要研究不是出于商業(yè)目的，就可以隨意免費地使用。不僅如此，他還把自己的研究資源（主要是質(zhì)粒）放到公共庫中，免費分發(fā)于天下。這一舉贏得了整個學(xué)術(shù)界的支持。

更重要的是， 張鋒團(tuán)隊很快就把CRISPR/Cas9玩出了花——自2013年至今，張鋒發(fā)的論文之多足可用排山倒海來形容，隨便哪一篇開拓這一片科研新天地。自CRISPR/Cas9發(fā)明以來，其一半重大突破都出自張鋒之手，剩下的也多少用到了張鋒免費分發(fā)的科研資源，幾年下來，張鋒在基因編輯領(lǐng)域一哥的地位幾近無可撼動。2014年，美國專利商標(biāo)局（USPTO)批準(zhǔn)了張鋒所在的博德研究所的專利請求，來自加州大學(xué)的上訴也在2016年被悉數(shù)駁回。

不過杜德娜的團(tuán)隊也不是吃素的。雖然博德研究所看似在美國全勝，可到了歐洲和中國等地，專利認(rèn)證就站到了杜德娜一邊。除此以外，杜德娜和卡彭蒂耶還頻頻在各種高級學(xué)術(shù)獎項和學(xué)術(shù)峰會亮相，比如在2015年她倆就獲得了有豪華版諾獎之稱的“生命科學(xué)突破獎”。所以目前就世界范圍而言，兩撥人馬可謂勢均力敵。

杜德娜與卡彭蒂耶共同榮獲2015年生命科學(xué)突破獎。：independent.co.uk

神仙打架，技術(shù)得力

科學(xué)家們爭來爭去，其實也是因為CRISPR/Cas9造福于人的無限潛力。

作為定點破壞基因方面最強大也最便宜的“特務(wù)”，CRISPR/Cas9大大降低了修改基因，尤其是動物基因的成本與技術(shù)門檻。張鋒等人掀起的那一股編輯動物基因的風(fēng)潮，正前所未有地席卷全球各地的實驗室。

現(xiàn)在，任何科學(xué)家想要研究一個動物基因，只需大手一揮：“給我把這個基因敲了！”“給我把那段DNA序列塞到這個基因里！”不消半年，就能“定制”一批基因修飾動物出來做研究。當(dāng)年砸大錢問公司買動物模型的歷史，已經(jīng)一去不復(fù)返。

中科院的科學(xué)家利用CRISPR/Cas9技術(shù)制作的基因敲除猴。在CRISPR/Cas9技術(shù)發(fā)明以前，制作基因敲除的靈長類幾乎是不可想象的事情。：doi:10.1038/cr.2017.81

將CRISPR/Cas9用在醫(yī)療上的嘗試也已不鮮見。2014年，美國貝勒醫(yī)學(xué)院教授張普民和他的研究團(tuán)隊通過CRISPR/Cas9制造出了能夠產(chǎn)生人類白蛋白的特種豬。2016年初，來自三個機構(gòu)包括張鋒在內(nèi)的多個研究組試圖利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)來治療動物的一種名為“杜興氏肌肉萎縮癥”的遺傳病，結(jié)果真的大大提高了它們的預(yù)期壽命和生活質(zhì)量。而近期，喬治·邱奇的得意門生，張鋒的師妹楊璐菡所帶領(lǐng)的團(tuán)隊也備受關(guān)注：他們試圖通過大規(guī)?；蚓庉?，讓豬產(chǎn)生適合移植給人類的器官。

這些案例都不過是冰山一角。隨著對CRISPR/Cas系統(tǒng)的理解越發(fā)深入，人們已經(jīng)可以利用它執(zhí)行更多類型的基因編輯任務(wù)。如果從前它只是一個基因剪貼板，那現(xiàn)在幾乎能稱得上是基因編輯界的瑞士軍刀了。CRISPR/Cas引爆了全方位的技術(shù)突破， 毋庸置疑將生命科學(xué)帶來進(jìn)了新紀(jì)元。

CRISPR會造出弗蘭肯斯坦的怪物嗎？

不過，CRISPR/Cas9再強大也終究是一種工具，而人類現(xiàn)在在遺傳學(xué)上畢竟道行尚淺，在某種意義上限制了工具的威能。就拿楊璐菡團(tuán)隊的工作來說，為了讓豬長出可能適合移植到人類的器官，他們必須先清洗掉豬基因組當(dāng)中的“內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒”。

內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒差不多就相當(dāng)于已經(jīng)被宿主“招安”了的病毒，兩者不再互相傷害，甚至有些時候病毒還能給宿主幫上點忙。可要是豬的器官被移植到了人身上，豬的內(nèi)源性病毒就又有了潛在風(fēng)險。為了規(guī)避這些風(fēng)險，楊璐菡專門把CRISPR/Cas9系統(tǒng)設(shè)計成“內(nèi)源性病毒專殺工具”，將其注入豬的細(xì)胞中一次性消滅其中所有潛藏的內(nèi)源性病毒。同時處理62個位點，那是CRISPR做過目標(biāo)最多的單次編輯任務(wù)。

這第一步很成功。不過既然要的是豬器官，那只有細(xì)胞可不夠——她得把這些豬細(xì)胞克隆成真豬。做這第二步，楊璐菡的團(tuán)隊用了兩年時間，投入了龐大的財力人力才把他們所需要的豬給成功克隆出來。為啥這么難，至今也沒人說得清楚。而如果真的要讓豬為人類提供器官，那么除了這種內(nèi)源性病毒以外需要改動的基因少說還有上百個，其中每一個都潛藏著無法預(yù)料的困難。 CRISPR在基因組編輯層面的工作做得再出色，也需要在后續(xù)環(huán)節(jié)有成熟的技術(shù)跟進(jìn)。

這也是為什么大家并不需要擔(dān)心，科學(xué)家會由于對基因理解有限而不小心造個弗蘭肯斯坦的怪物出來。要做任何事，一件工具永遠(yuǎn)是不夠的，我們需要的是一個“工具箱”，然而很多事情能不能做成，往往取決于工具箱里最差的工具。

另一個限制則來自科學(xué)共同體的審慎。它來自人們對于基因編輯倫理問題的爭論。這場爭論最核心的觀點，就是人類胚胎（以及生殖細(xì)胞）的基因是否可以編輯——畢竟這種對基因的改變是會一代一代遺傳下去的。 在現(xiàn)階段，涉及基因組編輯的人類胚胎都在倫理委員會的監(jiān)管下，確保不能發(fā)育成活人出生。

（ 注：本文寫作于2017年12月。2018年11月，據(jù)人民網(wǎng)報道，南方科技大學(xué)生物系副教授賀建奎宣布，一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒于11月在中國健康誕生。）

基因編輯的故事，到這里也就暫時告一段落。對于這個生命科學(xué)領(lǐng)域最尖端的科技，人們憧憬著，可能也惶恐著。而技術(shù)終究有自己的發(fā)展規(guī)律，不為堯存，不為桀亡。CRISPR和它的后繼者們究竟能給基因編輯的故事續(xù)上怎樣的下一章？技術(shù)的研發(fā)者之間又能擦出怎樣令人喜聞樂見的火花？我們不妨擦亮雙眼等著看。

注釋：

注1：CRISPR這個名詞并非莫伊卡提出，不過在此之前人們并不知道這些東西有何意義，所以起了個就事論事描述性的名字。注2：確切地說，這個“第一”需要和喬治·邱奇共享，因為他倆同時發(fā)表了這方面的論文，不過一般認(rèn)為喬治·邱奇該論文的政治意義大于學(xué)術(shù)意義，所以在此暫不贅述。 參考文獻(xiàn)

[1] Lander, Eric S. The Heroes of CRISPR. Cell. 2016. Volume 164 , Issue 1 , 18 – 28

[2] Capecchi, M.R. Gene targeting in mice: functional analysis of the mammalian genome for the twenty-first century. Nat. Rev. Genet. 2005; 6: 507–512

[3] Charpentier, Emmanuelle, and Jennifer A. Doudna. Biotechnology: Rewriting a genome. Nature. 2013. 495.7439 50-51

[4] Lander, Eric S. "The heroes of CRISPR." Cell 164.1 (2016): 18-28.

[5] Luhan Yang. et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science. 2015. DOI: 10.1126/science.aad1191

[6] Niu D. et al. Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9. Science. 2017. Sep 22;357(6357):1303-1307. doi: 10.1126/science.aan4187.

[7] Nelson et al. In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Science DOI: 10.1126/science.aad5143

[8] Long et al. Postnatal genome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy. Science DOI: 10.1126/science.aad5725

[9] Tabebordbar et al. In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle and muscle stem cells. Science DOI: 10.1126/science.aad5177

作者：鬼谷藏龍

果殼

ID：Guokr42

關(guān)注科技熱點

關(guān)注科技給世界的改變

看果殼就夠了

crispr cas9怎么達(dá)到基因敲除的

近日，中國科學(xué)家利用基因編輯技術(shù)——CRISPR/Cas9，對抑制狗骨骼肌生長的基因（MSTN）進(jìn)行了敲除，培育出兩只肌肉發(fā)達(dá)的“大力神”狗，成功構(gòu)建了世界首個基因敲除狗模型。

科研人員所使用的“基因編輯技術(shù)”，顧名思義，能夠讓人類對目標(biāo)基因進(jìn)行“編輯”，實現(xiàn)對特定DNA片段的敲除、加入等。而CRISPR/Cas9技術(shù)自問世以來，就有著其它基因編輯技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，技術(shù)不斷改進(jìn)后，更被認(rèn)為能夠在活細(xì)胞中最有效、最便捷地“編輯”任何基因。

一、與諾獎“擦肩而過”的CRISPR/Cas9技術(shù)

這不是CRISPR/Cas9這項明星技術(shù)第一次得到人們的關(guān)注。在此之前，有著“豪華版”諾獎之稱的“2015年度生命科學(xué)突破獎”頒發(fā)給了發(fā)現(xiàn)基因組編輯工具“CRISPR/Cas9”的兩位美女科學(xué)家——珍妮弗·杜德娜和艾曼紐·夏邦杰。二人更是獲得了2015年度化學(xué)領(lǐng)域的引文桂冠獎——素有諾獎“風(fēng)向標(biāo)”之稱，曾被認(rèn)為是今年諾貝爾化學(xué)獎的最有力競爭者。

那CRISPR/Cas9到底是一項什么技術(shù)，為何能夠獲得如此這般青睞，又何以在短短兩三年時間內(nèi)，發(fā)展成為生物學(xué)領(lǐng)域最炙手可熱的研究工具之一，并有近700篇相關(guān)論文發(fā)表？它將來又會如何影響到我們的生活？

CRISPR/Cas9是繼“鋅指核酸內(nèi)切酶（ZFN）”、“類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALEN）”之后出現(xiàn)的第三代“基因組定點編輯技術(shù)”。與前兩代技術(shù)相比，其成本低、制作簡便、快捷高效的優(yōu)點，讓它迅速風(fēng)靡于世界各地的實驗室，成為科研、醫(yī)療等領(lǐng)域的有效工具。

基因編輯技術(shù)是什么？它是如何在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的？

基因編輯技術(shù)不斷發(fā)展，到現(xiàn)在已發(fā)展到第三代基因編輯技術(shù)。第三代基因技術(shù)CRISPR/Cas克服了傳統(tǒng)基因操作的周期長、效率低、應(yīng)用窄等缺點。作為一種最新涌現(xiàn)的基因組編輯工具，CRISPR/Cas能夠完成RNA導(dǎo)向的DNA識別以及編輯。通過一段序列特異性向?qū)NA分子（sequence- specific guide RNA）引導(dǎo)核酸內(nèi)切酶到靶序列處，從而完成基因組的精確編輯，因其操作簡單、成本低、高效率，近幾年成為炙手可熱的基因編輯手段，目前已廣泛用于模式生物研究，醫(yī)療，植物作物，農(nóng)業(yè)畜牧等領(lǐng)域。

1 磨快CRISPR利器，加快科學(xué)發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9的出現(xiàn)給了科研人員無限想象的可能，基于CRISPR/Cas9的技術(shù)很快就被廣泛應(yīng)用于全世界各個實驗室中，這里我們將主要介紹最常用的幾種應(yīng)用。

早期，科研人員通過同源重組（HR）介導(dǎo)的基因打靶技術(shù)來實現(xiàn)基因編輯，但因效率太低，極大地限制了其應(yīng)用。為了克服這一難題，一系列通過核酸內(nèi)切酶介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)被開發(fā)出來，通過這些核酸內(nèi)切酶切割特定的基因組序列，借助細(xì)胞自身修復(fù)體系如非同源末端連接或同源重組修復(fù)方式，并由此達(dá)到改變基因組序列的目的，鋅指核酸內(nèi)切酶（ZFNs）、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALENs）以及sgRNA介導(dǎo)的Cas9核酸內(nèi)切酶正是基于此原理工作的。

鋅指核酸內(nèi)切酶（ZFNs）和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALENs）均可通過蛋白-DNA相互作用識別基因組上的特定DNA序列并完成特定位點的切割，但是它們因效率低下、可選潛在位點少、成本高等原因極大地限制了它們的應(yīng)用，直到CRISPR/Cas9系統(tǒng)的出現(xiàn)，科研人員才找到了一種成本低、效率高、簡單易用的基因編輯工具。

CRISPR/Cas9出現(xiàn)之后，科研人員最先想到的便是將其運用到基因編輯上了，根據(jù)目標(biāo)基因的外顯子序列設(shè)計single guide RNA（sgRNA）并與含有Cas9編碼序列的質(zhì)粒一起轉(zhuǎn)入細(xì)胞，sgRNA通過堿基互補配對的原則引導(dǎo)Cas9蛋白靶向目標(biāo)DNA序列，Cas9蛋白會在該位點切割DNA，引發(fā)DNA雙鏈斷裂（DSB），此時細(xì)胞通過非同源末端連接修復(fù)（NHEJ）完成DNA的自身修復(fù)，

因修復(fù)過程中常常發(fā)生堿基的添加和丟失，而最終導(dǎo)致基因的移碼突變從而達(dá)到基因敲除的目的，或者針對目的基因的上下游序列各設(shè)計一個sgRNA，從而引發(fā)該基因上下游同時發(fā)生DSB，再通過DNA損傷修復(fù)機制將斷裂的上下游兩端的DNA連接在一起，引發(fā)DNA片段缺失，從而達(dá)到基因敲除的目的。如果在此基礎(chǔ)上為細(xì)胞引入一個修復(fù)的模板質(zhì)粒，細(xì)胞就會以此模板進(jìn)行同源重組修復(fù)，如果引入的修復(fù)模板是一個想要插入的基因，便可在特定的位置進(jìn)行基因敲入了。

2 神奇的dCas9多功能工具包隨著人們對Cas9研究的不斷深入，Cas9發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)也漸漸明確，在Cas9發(fā)揮切割DNA的功能時，它的兩個結(jié)構(gòu)域發(fā)揮著重要作用，分別是RuvC和HNH，其中HNH結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)sgRNA互補鏈的切割，切割的位點位于PAM的5'端的第三個堿基外側(cè)，RuvC結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)非互補鏈的切割，切割位點是在PAM上游的3-8堿基之間，當(dāng)將這二者同時突變失活，便產(chǎn)生了失去DNA切割活性的Cas9蛋白了（dCas9），dCas9雖然失去了對DNA的切割能力，但依舊可以在sgRNA的引導(dǎo)下到達(dá)指定的DNA序列處，這是基于sgRNA–dCas9復(fù)合體的這一特征，若在dCas9上融合不同功能的結(jié)構(gòu)域，便可在特定的DNA區(qū)域完成不同的修飾了，這便形成了基于CRISPR/dCas9的工具包了。

腦洞大開的科學(xué)家利用dCas9蛋白，開發(fā)出各種用途的工具，可謂是把CRISPR/dCas9利用得淋漓盡致，這里我們舉幾個簡單的例子如研究人員針對目標(biāo)基因的啟動子序列設(shè)計sgRNA，使得sgRNA–dCas9復(fù)合體靶向結(jié)合到目標(biāo)基因的啟動子上，因dCas9蛋白帶來的空間位阻可干擾轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，從而引發(fā)在轉(zhuǎn)錄水平上的干擾基因表達(dá)的效果，而在此基礎(chǔ)上為了達(dá)到更佳的干擾效果，一些能夠引發(fā)基因轉(zhuǎn)錄阻遏的結(jié)構(gòu)域也被融合到dCas9蛋白上，如KRAB（Krüppel-associated box）等。

既然可以通過CRISPR/dCas9實現(xiàn)基因表達(dá)的干擾，那是不是也可以通過CRISPR/dCas9實現(xiàn)激活基因表達(dá)呢？答案是肯定的?？蒲腥藛T通過向dCas9上融合vp64（四個串聯(lián)的vp16）、p65AD（p65 activation domain）等促進(jìn)促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)域，實現(xiàn)基因的內(nèi)源性激活，在經(jīng)過各種優(yōu)化之后，比如由vp64、p65AD和VPR（Epstein-Barr病毒R反式激活因子Rta47）組成的三聯(lián)結(jié)構(gòu)域（dCas9–VPR）就可以實現(xiàn)很高水平的內(nèi)源性激活基因表達(dá)的效果了。

通過基于CRISPR/dCas9的基因表達(dá)干擾和內(nèi)源性激活工具的建立，使得科研人員在進(jìn)行諸如基因功能研究的工作時有了更為簡單、高效且低成本的研究工具。這很大程度上為科研人員節(jié)約了時間和成本。

3 精準(zhǔn)編輯表觀遺傳修飾表觀遺傳研究是近些年來非?；馃岬念I(lǐng)域，DNA甲基化、組蛋白乙?；榷荚谏矬w中發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能，而CRISPR/dCas9在表觀遺傳的研究中也成為了十分強大的工具。比如CRISPR/dCas9介導(dǎo)的靶向DNA甲基化修飾，我們知道在DNA甲基化過程中DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methytransferases，DNMTs）起著關(guān)鍵的催化作用，而且大部分DNA甲基化都發(fā)生在CpG島，

因此研究人員嘗試著將DNMTs的催化結(jié)構(gòu)域融合到dCas9上形成dCas9-Dnmt3a3L，并通過sgRNA的引導(dǎo)靶向目標(biāo)DNA序列的CpG附近催化其甲基化，以實現(xiàn)DNA甲基化的定點編輯。相似地，研究人員將在DNA去甲基化過程中起關(guān)鍵催化作用的TET1蛋白的催化結(jié)構(gòu)域融合到dCas9上形成dCas9-TET1，同樣的通過sgRNA的引導(dǎo)靶向目標(biāo)DNA序列的CpG附近，可以實現(xiàn)去甲基化修飾。

再如CRISPR/dCas9介導(dǎo)的靶向組蛋白修飾，與靶向DNA甲基化修飾相似，一些和組蛋白修飾相關(guān)的酶包括組蛋白去甲基化酶（LSD1/KDM1A）、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶以及組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶等也被融合到dCas9蛋白上，以實現(xiàn)靶向組蛋白修飾。

除以上的應(yīng)用外，CRISPR/dCas9還被用于其他多個領(lǐng)域，比如將EGFP融合到dCas9上，通過sgRNA靶向特定DNA序列實現(xiàn)基因組成像。此外，還有研究人員開發(fā)出基于CRISPR/dCas9的enChIP技術(shù)，以來探測特定基因組區(qū)域上的DNA-蛋白質(zhì)相互作用，通過sgRNA靶向特定基因組基因座的標(biāo)記dCas9的抗體免疫沉淀，之后通過蛋白質(zhì)譜（enChIP-MS），鑒定與之特異性相互作用的蛋白質(zhì)。這些工具的開發(fā)都極大地幫助了科研人員，使得之前無法實現(xiàn)的操作成為可能，推動了生命科學(xué)的快速發(fā)展。

4 基因及藥物靶標(biāo)基因的確定以往基于ZFN或TALENs的基因組編輯技術(shù)，需要針對DNA靶序列設(shè)計蛋白質(zhì)，而CRISPR技術(shù)僅需要根據(jù)不同的靶序列合成相應(yīng)的80nt左右的sgRNA來引導(dǎo)Cas9蛋白對序列進(jìn)行修飾，這就實現(xiàn)了基因編輯技術(shù)的高通量應(yīng)用。

CRISPR全基因組篩選技術(shù)可用于必需基因及藥物靶標(biāo)基因鑒定。多倫多大學(xué)Jason Moffa研究組建立了覆蓋全基因組gRNA庫并在5個細(xì)胞系中逐個敲除了1.8萬個基因，最后鑒定出在不同細(xì)胞系間保守的1580個必需基因構(gòu)成的“core fitness genes”。

同樣，美國達(dá)納-法伯癌癥研究所W. Nick Haining研究組通過CRISPR/Cas9系統(tǒng)性地敲除了黑色素瘤細(xì)胞的2368個基因，發(fā)現(xiàn)ptpn2基因缺失會使這些癌細(xì)胞對PD-1阻斷更加敏感。華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院Michael Diamond研究組利用CRISPR/Cas9鑒定在宿主細(xì)胞中堅定了黃病毒感染所絕對必需的9個基因，其中spcs1基因缺失時，不僅降低黃病毒感染率，而且對細(xì)胞也不產(chǎn)生副作用，這將是一個潛在的黃病毒藥物靶標(biāo)。

5 疾病建模及器官供體產(chǎn)生CRISPR/Cas9作為新一代基因編輯技術(shù)，同樣可被應(yīng)用于建立疾病模型及培育供體器官?；蛑委熆蓪崿F(xiàn)在患者自身細(xì)胞中糾正遺傳缺陷，并結(jié)合其他生物學(xué)技術(shù)在體外培育出組織特異性的“類器官”，對于疾病建模、藥物篩查及臨床治療等方面研究有極大意義。CRISPR介導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)可以直接應(yīng)用于非人類哺乳動物的疾病模型建立，將更有利于疾病致病機理和治愈研究。

此外，CRISPR技術(shù)還可應(yīng)用于大型動物的基因編輯以研究免疫排斥及跨物種的疾病傳染，從而解決異種移植器官來源的瓶頸，豬被認(rèn)為是人體異種器官來源的首選動物，而目前豬器官用于人類的主要障礙為免疫排斥反應(yīng)，及豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（Porcine endogenous retroviruses, PERVs）帶來的醫(yī)療風(fēng)險問題。eGenesis公司楊璐菡博士與哈佛大學(xué)George Church教授利用CRISPR進(jìn)行基因改造一步讓62個PERV pol 基因關(guān)閉，因而將來自PERV的傳染風(fēng)險降低了三個數(shù)量級，成功培育出不含PERVs的豬品系，作為安全有效的異種移植器官來源，這些研究讓豬成為病人的器官來源更有前景。

6 基因療法基因編輯技術(shù)可以準(zhǔn)確地改造人類基因，達(dá)到基因治療效果。中國科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所李勁松研究組通過在小鼠胚胎中注射CRISPR/Cas9糾正白內(nèi)障小鼠模型中的遺傳缺陷，所產(chǎn)生的后代是可育的并能將修正后的等位基因傳遞給它們的后代。杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD）是一種罕見的肌肉萎縮癥，也是最常見的致命性遺傳病之一，是由肌營養(yǎng)不良蛋白dystrophin基因突變引起。杜克大學(xué)Charles Gersbach研究組應(yīng)用CRISPR/Cas9在DMD小鼠中將dystrophin基因突變的23外顯子剪切，而合成了一個截短的但功能很強的抗肌萎縮蛋白，這是生物學(xué)家“首次成功地利用CRISPR基因編輯技術(shù)治愈了一只成年活體哺乳動物的遺傳疾病”。

??CAR-T治療簡圖，圖片來自onclive.com

基因編輯技術(shù)聯(lián)合免疫療法在腫瘤及HIV/AIDS治療具有廣泛的應(yīng)用前景。嵌合抗原受體T細(xì)胞（Chimeric Antigen Receptor T cell，CAR-T）細(xì)胞治療是非常有前景的腫瘤治療方法。CAR-T細(xì)胞療法在B細(xì)胞惡性血液腫瘤治療中已經(jīng)取得碩果。中科院動物研究所王皓毅研究組利用CRISPR/Cas9技術(shù)在CAR-T細(xì)胞中進(jìn)行雙基因（TCRα subunit constant 和beta-2 microglobulin）或三基因（TRAC，B2M及programmed death-1）敲除。美國斯隆凱特林癌癥紀(jì)念中心Michel Sadelain研究組發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9技術(shù)將CAR基因特異性靶向插入到細(xì)胞的TRAC基因座位點，極大增強了T細(xì)胞效力，編輯的細(xì)胞大大優(yōu)于傳統(tǒng)在急性淋巴細(xì)胞白血病小鼠模型中產(chǎn)生CAR-T細(xì)胞。

繼諾華的Kymriah以及Gilead （kite Pharma）的Yescarta接連上市，CRISPR Therapeutics公司也在應(yīng)用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)開發(fā)同種異體CAR-T候選產(chǎn)品。2016年10月，四川大學(xué)華西醫(yī)院的腫瘤醫(yī)生盧鈾領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊首次在人體中開展CRISPR試驗，從晚期非小細(xì)胞肺癌患者體內(nèi)提取出免疫細(xì)胞，再利用CRISPR/Cas9技術(shù)剔除細(xì)胞中的PD-1基因更有助于激活T細(xì)胞去攻擊腫瘤細(xì)胞，最后將基因編輯過的細(xì)胞重新注入患者體內(nèi)。

7 致病菌及抗病毒研究微生物種群與人體醫(yī)學(xué)，自然環(huán)境息息相關(guān)。北卡羅來納大學(xué)Rodolphe Barrangou與Chase L. Beisel合作通過使用基因組靶向CRISPR/Cas9系統(tǒng)可靶向并區(qū)分高度密切相關(guān)的微生物，并程序性去除細(xì)菌菌株，意味著CRISPR/Cas9系統(tǒng)可開發(fā)成精細(xì)微生物治療體系來剔除有害致病菌，人類將有可能精確控制微生物群體的組成。以色列特拉維夫大學(xué)Udi Qimron將CRISPR系統(tǒng)導(dǎo)入溫和噬菌體中在侵染具有抗生素抗性的細(xì)菌以消滅此類細(xì)菌，CRISPR系統(tǒng)已具有成為新一類抗生素的潛力。Locus BioSciences公司也在開發(fā)在噬菌體中開發(fā)CRISPR系統(tǒng)以達(dá)消滅難辨梭菌的目的。

弗吉尼亞理工大學(xué)Zhijian Tu研究組在雄蚊子中進(jìn)行M因子基因編輯，可以導(dǎo)致雌雄蚊之間的轉(zhuǎn)化或雌蚊的殺戮，從而實現(xiàn)有效的性別分離和有效減少蚊子的數(shù)量，也將減少寨卡病毒及瘧疾等傳播。

基于CRISPR治療不僅可以應(yīng)用于根除共生菌或有益菌群的病原體，也可應(yīng)用于靶向人類病毒，包括HIV-1，皰疹病毒，乳頭瘤病毒及乙型肝炎病毒等。具有純合的32-bp缺失（Δ32）的CC趨化因子受體5型（CCR5）基因的患者對HIV感染具有抗性。因此加利福尼亞大學(xué)Yuet Wai Kan在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞iPSC中利用CRISPR系統(tǒng)引入純合CCR5Δ32突變后，誘導(dǎo)分化后的單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞對HIV感染具有抗性。天普大學(xué)Kamel Khalili 課題組應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在宿主細(xì)胞基因組中精確編輯HIV-1 LTR U3區(qū)，從而在將艾滋病病毒從基因組中剔除。

8 核酸診斷及細(xì)胞事件記錄Cas12a （Cpf1）屬于CRISPR家族另一核酸內(nèi)切酶，它也可被gRNA引導(dǎo)并剪切DNA。但是，它不僅可以切割相結(jié)合的單鏈或雙鏈DNA，也剪切其他的DNA。近日，加州大學(xué)伯克利分校Jennifer Doudna研究組開發(fā)了基于CRISPR的一項新技能——基因偵探（DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter (DETECTR)）。利用單鏈DNA將熒光分子和淬滅分子連接構(gòu)建成一個報告系統(tǒng)，當(dāng)CRISPR-Cas12a在gRNA引導(dǎo)下結(jié)合到目標(biāo)DNA并發(fā)揮剪切作用時，報告系統(tǒng)中的DNA也被剪切，熒光分子將被解除抑制。此系統(tǒng)在致癌性HPV的人的DNA樣品檢測HPV16和HPV18變現(xiàn)極佳。

布羅德研究所Feng Zhang研究組開發(fā)的基于CRISPR的2代SHERLOCK （Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing），原理是利用Cas13a被激活后，可以切割除靶序列外其他的RNA的特征，引入了解除熒光分子的抑制。此工具可實現(xiàn)一次性多重核酸檢測，可同時檢測4種靶標(biāo)分子，額外添加的Csm6使得這種工具比它的前身具有更高的靈敏度，并將它開發(fā)成微型試紙條檢測方法，簡單明了易操作，已被研究人員成功應(yīng)用于RNA病毒，如登革熱病毒和寨卡病毒，及人體液樣本檢測。

Broad研究所David R. Liu研究組利用CRISPR/Cas9開發(fā)了一種被稱為CAMERA（CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus）的記錄細(xì)胞事件的“黑匣子”他們利用這個系統(tǒng)開發(fā)出兩種細(xì)胞記錄系統(tǒng)，在第一種被稱為“CAMERA 1”的細(xì)胞記錄系統(tǒng)中，研究人員利用細(xì)菌中質(zhì)粒的自我復(fù)制但又嚴(yán)格控制其自身數(shù)量的特征，

將兩種彼此之間略有不同的質(zhì)粒以穩(wěn)定的比例轉(zhuǎn)化到細(xì)菌中，隨后在接觸到外來藥物刺激時，利用CRISPR/Cas9對這兩種質(zhì)粒中的一種進(jìn)行切割，通過對質(zhì)粒進(jìn)行測序并記錄兩種質(zhì)粒比例的變化來記錄細(xì)菌接觸外來刺激的時間。另一種細(xì)胞記錄系統(tǒng)被稱為“CAMERA 2”，它利用基于CRISPR/Cas9的堿基編輯系統(tǒng)實現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)特定信號發(fā)生時改變遺傳序列中的單個堿基，以此實現(xiàn)對諸如感染病毒、接觸營養(yǎng)物等刺激的記錄。這套技術(shù)的出現(xiàn)將很大程度的幫助人們進(jìn)一步了解細(xì)胞的各類生命活動的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。

9 人類胚胎基因組編輯2015 年 4 月，中山大學(xué)的黃軍利用CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，同源重組修復(fù)了胚胎中一個引發(fā)地中海貧血β-globin gene （HBB）的突變。

??圖片來自kurzgesagt.org

2016年，廣州醫(yī)科大學(xué)的范勇團(tuán)隊在三原核受精卵中，應(yīng)用基因編輯技術(shù)CRISPR受精卵中的基因CCR5進(jìn)行編輯引入CCR5Δ32純合突變由于當(dāng)時脫靶效率問題突出，產(chǎn)生了鑲嵌式的受精卵。

2017年8月2日，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)胚胎細(xì)胞和基因治療中心Shoukhrat Mitalipov研究組公布了其應(yīng)用CRISPR在人類胚胎中進(jìn)行DNA編輯的結(jié)果，糾正了突變的MYBPC3基因，其突變會引起心肌肥厚并將年輕運動員猝死。

文章來源于網(wǎng)絡(luò)，所有權(quán)歸原作者所有，大道家園只作為存儲空間，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們進(jìn)行刪除。

本文地址:http://www.mcys1996.com/guoxue/136186.html.

聲明： 我們致力于保護(hù)作者版權(quán)，注重分享，被刊用文章因無法核實真實出處，未能及時與作者取得聯(lián)系，或有版權(quán)異議的，請聯(lián)系管理員，我們會立即處理，本站部分文字與圖片資源來自于網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載是出于傳遞更多信息之目的,若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請立即通知我們(管理員郵箱：douchuanxin@foxmail.com)，情況屬實，我們會第一時間予以刪除，并同時向您表示歉意,謝謝!

上一篇: 諸葛亮東吳游說吳蜀聯(lián)合抗曹，若非魯肅···

下一篇: 清朝老照片：看完底層百姓真實生活狀況···