導讀
據(jù)國外媒體報道，在不到5年時間里，基因編輯技術CRISPR已經(jīng)使現(xiàn)代生物學的面貌和發(fā)展節(jié)奏發(fā)生了革命性改變。這種技術在能夠發(fā)現(xiàn)、去除并取代遺傳物質，自2012年首次報道至今，科學家已經(jīng)發(fā)表了超過5000篇涉及該技術的論文。生物化學研究者擁抱這項技術，希望用其創(chuàng)造出更好的疾病模型。無數(shù)公司已經(jīng)將這項技術投入到新型藥物、療法、食品、化合物和新材料的研發(fā)之中，試圖獲取新的商業(yè)利益。
通常情況下，當我們提到CRISPR時，實際指的是CRISPR/Cas系統(tǒng)——由一小段RNA和一種高效的DNA切割酶(即核酸酶)組成，全名為常間回文重復序列叢集/常間回文重復序列叢集關聯(lián)蛋白系統(tǒng)(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)。它對于生物學的意義，就好比福特T型車對于制造業(yè)和交通運輸業(yè)的意義?，F(xiàn)在，CRISPR已經(jīng)用于人類癌癥的治療，而最快到2018年時，該技術還將用在遺傳性疾病，如鐮刀型紅血球疾病和乙型地中海貧血癥等的臨床試驗中。
然而，與當初的福特T型車一樣，經(jīng)典的CRISPR技術已經(jīng)變得有點粗苯、不可靠，甚至有點危險。它無法與基因組的任意部位結合，有時候還會切割錯誤的位置。而且，它沒有關閉按鈕。如果說福特T型車很容易過熱，那經(jīng)典CRISPR可以說是很容易“吃多”。
即使有著這樣那樣的局限性，但經(jīng)典CRISPR系統(tǒng)在2018年及以后的日子里，依然將是生物學中非常重要的工具。不過，就在2017年，更新、更快的基因編輯工具開始推出，或許很快就會讓第一代技術黯然失色。因此，如果你有志于在這一領域大展身手的話，請做好準備，因為“基因編輯2.0”就在眼前!
有針對性的切割操作是CRISPR技術的標志性特征。但是，在Cas9內切核酸酶切割一個生物體的兩股DNA鏈的同時，也會帶來某種風險?！ ∮嗅槍π缘那懈畈僮魇荂RISPR技術的標志性特征。但是，在Cas9內切核酸酶切割一個生物體的兩股DNA鏈的同時，也會帶來某種風險。
突飛猛進
有針對性的切割操作是CRISPR技術的標志性特征。但是，在Cas9內切核酸酶切割一個生物體的兩股DNA鏈的同時，也會帶來某種風險。細胞在修復這種劇烈的基因損傷時可能會出現(xiàn)錯誤。這也是科學家希望設計出更安全的方法，以達到同樣目的的原因。
一種方法是使Cas9核酸酶突變，使其失去切割能力，但依然能結合DNA。接著，用其他蛋白質——比如能激活基因表達的蛋白質——與失去部分功能的Cas9核酸酶結合，在不改變DNA序列的情況下共同控制基因的開啟和關閉(有時要用到光或化學信號)。這種“表觀遺傳學編輯”或許能用于治療由多種遺傳因素共同引起的疾病，而經(jīng)典CRISPR技術最適合的則是由單一突變導致的功能障礙問題。12月初，美國索爾克研究所的研究人員就在小鼠上嘗試了這種新的方法，對包括糖尿病、急性腎病和肌肉營養(yǎng)不良癥等嚴重疾病進行治療。
哈佛大學和布羅德研究所的科學家甚至已經(jīng)對CRISPR系統(tǒng)進行了更大膽的改進：對單個堿基對進行編輯。為了實現(xiàn)這一目的，他們必須設計出一種全新的、在自然界中不存在的酶，能夠從化學上將配對的腺嘌呤(A)-胸腺嘧啶(T)轉變?yōu)轼B嘌呤(G)-胞嘧啶(C)。這一改變看似微小，卻有著極為重大的意義。哈佛大學化學家戴維•劉(David Liu)主持了這項工作，他估計，在人體已知32000個致病性的點突變中，有大約一半可以通過這樣的單一位點變換而修復。“我不希望公眾對此有錯誤的理解，即我們能把任何人或任何動物，甚至培養(yǎng)皿里的細胞的任意DNA片段變換成另一段DNA，”戴維•劉說，“不過，就我們現(xiàn)在所處的位置而言，也意味著很多責任。最大的問題在于，這個時代能達到的能力有多大?以及我們如何能盡可能快地用這些技術來造福社會?”
如何控制風險?
CRISPR/Cas系統(tǒng)是存在于多數(shù)細菌和絕大多數(shù)古菌中的一種后天免疫機制，其工作就是發(fā)現(xiàn)入侵的病毒DNA并將其消滅，直到這些DNA被清除干凈。這一系統(tǒng)都是“加速器”，沒有制動裝置，因而具有潛在的危險性——尤其是在臨床應用上。CRISPR在細胞里存留的時間越長，它把某些片段當作目標基因并進行切割的風險就越大。
為了最大程度地降低這些偏離目標的問題，科學家一直在開發(fā)新的工具，以更好地控制CRISPR。截至目前，研究者已經(jīng)識別出21個自然出現(xiàn)的抗CRISPR(anti-CRISPR)蛋白質家族，即能夠抑制基因編輯酶的蛋白質分子。不過，科學家只了解其中少數(shù)幾種蛋白質的工作機制。有些蛋白質能直接與Cas9結合，阻止它連接到DNA上;另一些蛋白質則可以激活與Cas9競爭基因組位置的酶。目前，加州大學伯克利分校、加州大學舊金山分校、哈佛大學、布羅德研究所和多倫多大學都在努力研究利用這些天然關閉機制的方法，使它們成為可編碼的控制工具。
除了醫(yī)學上的應用，這些蛋白質家族還對“基因驅動”(gene drive)領域的持續(xù)發(fā)展有重要意義?；蝌寗幼钤缭?003年由倫敦帝國理工學院演化遺傳學家奧斯汀•伯特(Austin Burt)提出，指一種能將特定性狀快速擴散到種群中的基因編輯技術。如果能以某種方式推動演化進程，將非常有利于人類應對從流行性疾病到氣候變化等諸多問題。比如，我們可以用這種方法消滅那些導致瘧疾的蚊子，或者清除有害的入侵物種。不過，在野外環(huán)境中，這些手段也有可能失去控制，甚至帶來災難性的后果。就在2017年，美國國防部下屬的國防高級研究計劃(DARPA)就投資了6500萬美元，用于尋找更加安全的基因驅動設計，其中就包括抗CRISPR“關閉開關”。
Cas酶的進展
盡管幾十年來基因技術突飛猛進，但還是有很多科學家不理解為什么DNA中的某些缺陷會引發(fā)疾病。即使我們知道哪些基因以什么順序編碼進入細胞，但想知道這些序列信息如何傳遞、如何翻譯(或者不翻譯)，就要困難得多。這也正是哈佛大學和布羅德研究所的張鋒(CRISPR關聯(lián)蛋白的發(fā)現(xiàn)者之一)團隊尋找以RNA為目標的Cas酶的原因。
由于細胞在組裝蛋白質時讀取的遺傳信息來自RNA，因此它們攜帶著更多關于特殊疾病的基礎遺傳信息。而且，由于RNA不斷被轉錄和翻譯，因此對RNA的修改有助于更好地治療類似發(fā)炎或創(chuàng)傷等短期疾病。這一新系統(tǒng)被稱為“REPAIR”，全稱是“可編程的腺嘌呤到肌苷RNA編輯”(RNA Editing for Programmable A to I Replacement)，目前只能對單個核苷酸進行編輯。下一步，研究人員希望在其他11種可能的組合中嘗試這一技術。
科學家其實一直在發(fā)現(xiàn)新的Cas酶。布羅德研究所的團隊對核酸酶Cpf1的特征進行了研究。這種酶與其他Cas酶具有幾個關鍵差異，包括在切割DNA時會留下較活躍的末端，而不是“鈍”的末端。2017年2月，加州大學伯克利分校的研究小組發(fā)現(xiàn)了CasY和CasX，這是目前最簡潔的CRISPR系統(tǒng)。未來幾個月或幾年里，科學家希望找到更多的酶，發(fā)現(xiàn)更多的可能性。
只有時間才能證明CRISPR-Cas9系統(tǒng)是不是最好的基因編輯工具，抑或只是一場科學變革的開端。對于不同的應用領域，科學家還需要大量的研究才能確定什么工具才最合適，目前能做的，或許只有同時推進所有這些系統(tǒng)的研究。要想把基因編輯技術應用到人類疾病治療、農作物培育以及攜病昆蟲的防治上，可能還需要許多年的時間。
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