肉眼看不见的剪刀
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基因魔剪
原创
Brad Plumer
原理
2017-04-06
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基因魔剪。（图片来源：Javier Zarracina）
撰文：Brad Plumer、Javier Zarracina翻译：space
如果你还没有听过CRISPR，那么可以这么简单理解：在过去的四年里，科学家在细菌的免疫系统里发现了一种可以在其他生物（植物、老鼠甚至人类）的体内编辑基因的工具。有了CRISPR，以前需要长年累月才能完成的基因编辑工作，现在只需要花上几天的时间就能完成。
简单介绍过后，我们来说一说这种新锐的强大基因编辑工具是如何在植物、动物甚至人类的细胞内工作的。它是如此的好用，以至于我们可以精确的去根据我们的需要删除或添加不必要的性状。仅仅在2016年，研究者就用CRISPR干成了一些令人吃惊的事情，例如创造出不易变成褐色的蘑菇，或者编辑老鼠的骨髓细胞来治疗镰刀型贫血症。
按照这个进度，CRISPR也许有一天能帮助我们开发出耐旱的作物，更加强大的抗生素，或者治疗诸如囊性纤维化一类的遗传疾病。CRISPR甚至还能让我们清除整个携带疟原虫的蚊子种群，或者复活已经灭绝的物种。即使现在对于CRISPR的应用仍有一些障碍，但这些并不是不能被研究者们攻克的。
2016年，在中国科学家首次证实了我们能够用CRISPR编辑人类胚胎细胞以后，现在围绕着CRISPR最大的噱头在于我们是否可以借此改进一些人类的性状（例如提升智力）。但这些其实只是遥远的愿景。由于编辑复杂的基因仍然有着种种不确定性，有些人憧憬的“经过设计的宝宝”仍然是遥不可及的目标。那么CRISPR究竟有何神奇之处呢？它又是如何工作的呢？我们现在来具体聊一聊。
【CRISPR究竟是什么？】
如果我们要了解CRISPR技术的由来，我们必须回溯到1987年日本科学家在大肠杆菌的基因中发现一些不同寻常的重复性序列的时候。他们说到：“这些序列在生物学上的意义现在依然不明”。
随着时间的推进，其他的研究者在不同种类的细菌（或者古菌）的体内也发现了类似的序列，并由此把它们命名为：“常间回文重复序列丛集’’（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)，简称“CRISPR”。
然而长久以来CRISPR序列的功能依然是个迷，一直到2007年一群营养学家在研究如何用链球菌制取酸奶的时候，揭示了这些奇怪的重复序列可能是细菌的免疫系统的重要一环。细菌无时无刻不处在病毒的攻击中，也因此始终处在抗病毒酶的保护下。在入侵的病毒被消灭以后，细菌的一些酶系统会参与进来扫除“战场”剩下的病毒的基因，将其切成小片段，然后嵌入到这些细菌基因组上的CRISPR序列当中。
接下来的事情出乎所有人的预料：细菌利用这些储存在CRISPR中的序列来对抗以后的病毒袭击。
△CRISPR/Cas9基因编辑系统的结构。
Cas9酶（红色）利用RNA片段（蓝色）来引导DNA(黄色）的切除。（图片来源：Shutterstock）
也就是说，如果遇到同一种病毒的攻击，一种细菌自身的蛋白Cas9会被制造出来。当Cas9遇到入侵的病毒的时候，他们会识别病毒的RNA，如果和储存在CRISPR的序列一致，Cas9就会切割病毒的RNA来消除入侵的威胁。
这就是CRISPR系统的工作原理，但是在相当一段时间内，这个精巧的系统并没有引起科学界的注意，直到这个领域有了一系列新的进展。
【CRISPR系统是如何引导基因编辑的？】
2011年，加州大学伯克利学院的Jennifer Doudna和瑞典于默奥大学的Emmanuelle Charpentier对于CRISPR/Cas9系统是如何工作的陷入迷茫中。Cas9酶是如何被RNA引导识别病毒序列的？这个酶又是如何知道从哪里开始切割DNA的？
科学家很快发现他们可以用一段人工的RNA来“哄骗”Cas9蛋白，而这个酶可以根据这段RNA的序列去匹配任意一段DNA，只要拥有和RNA—样的序列，然后加以切割。在2012年的一篇里程碑式的论文里，Doudna、Charpentier和Martin Jinek证明了他们可以用CRISPR/Cas9系统在任意的基因组里的任意的位置进行切割。
现在，即使这项技术的成功只在试管里得到了证明，但它暗示的前景却不言而喻。紧接着，波士顿博德研究所的Feng Zhang（张锋）于2013年2月在《科学》上以共同作者的身份发表了一篇论文，证明了CRISPR/Cas9系统可以在老鼠或人类细胞中进行基因编辑。在同一期杂志上，哈佛大学的George Church和他的团队展示了不同的CRISPR技术如何可以被应用在编辑人类细胞上面。
到此为止，研究人员已经知道了CRISPR/Cas9系统是一个多功能的系统。不仅可以通过剪切来“沉默”某些基因，也可以通过修复酶来在剪切的位点嵌入一些需要的片段（当然这个更难一点）。举个例子，科学家可以让Cas9酶剪除造成亨廷顿跳舞症的基因片段，然后用完好的基因来替代它。（图片来源：Javier Zarracina/Vox）
其实基因编辑并不是一个全新的概念，许多年来已经有不少的技术被开发出来用于敲除基因。让CRISPR成为一种革命性的技术的原因在于它的精确性：Cas9酶会精确的移动到任何你想要它去的地方。此外，这个技术非常的廉价，操作也很简便。在过去，改变一段基因可能需要几星期甚至几个月的时间，花费上千美元。现在只需要75美元和几个小时即可。同时，CRISPR技术被证明在任何物种的细胞内均可以起作用。
CRISPR也因此成为了众多热点之一，在2011年，只有不到一百篇关于CRISPR应用的文章发表。到了2016年，数量却超过了1000篇，内容涵盖CRISPR的改进技术，新的基因修改技术，以及增加靶点精确性的技术。Doudna说：“这个领域发展的如此之快，以至于我都有点跟不上了。我们很快就会发现，基因编辑会在医学中得到应用。”
开发CRISPR技术的荣誉该归于哪位科学家仍有争议——究竟是Doudna在2012年的文章或者Zhang在2013年的文章更能代表这项技术的突破呢？围绕这项技术的专利权，甚至引发了法律纠纷，因为这涉及数十亿美元的利益。到了2017年2月15日，美国专利与商标局裁定对博德研究所2014年获批的CRISPR-Cas9专利不做更改。但最重要的是，CRISPR的时代已经到来。
【我们能用CRISPR做什么?】
（图片来源：Shutterstock）加州大学戴维斯分校副教授的Paul Knoepfler说，CRISPR让他感觉到好像是小孩走进了糖果店一样。在最基础的层面上，CRISPR让研究者们很轻易的弄明白不同的基因在不同的物种中的作用——只需要敲除这个基因然后看其对性状的影响就知道了。
这个的重要性不言而喻：在我们2003年完整的描绘出人类基因组的时候，我们并不完全了解这些基因有些什么功能。CRISPR可以助力快速的基因筛选因此让基因研究获益。
但是基因编辑真正的乐趣，或者有一天成为真实的风险，在于编辑众多植物和动物的基因。Rodolphe Barrangou近期在Nature Biotechnology发表的文章列举了CRISPR未来几项潜在的应用：
1. 将谷物“编辑”得更加富有营养：农业学家已经在研究如何用CRISPR技术来改造若干种谷物，将它们变得更加可口，或者有营养，或者能抵抗旱情和其他不利的耕种条件。他们也许还能用CRISPR消除花生里引起过敏的物质。韩国的科学家正在研究CRISPR是否能帮助香蕉抵挡一种致命的真菌引起的疾病。一些科学家也发现了CRISPR可以用来培育出无角的奶牛，这是动物保育方面的一个重大进步。
在过去几年，孟山都和杜邦一类的公司已经开始为CRISPR技术申请生产许可，希望能借此发展出新的谷物多样性。虽然CRISPR暂时还不能取代传统的转基因技术，但是它代表了一种多功能的新型工具，能够更快的识别基因所代表的性状。CRISPR也可以让科学家们以比传统方法更加精确的在合适的位点嵌入所需要的性状。
“有了基因编辑技术，我们可以做到以前做不到的事情”，加州大学戴维斯分校的植物基因学家Pamela Ronald说。但是她对于这项技术的可靠性存在疑虑，因为产生新的生物多样性仍然需要很多年的时间来验证。
这项新的技术也可能引起争议。现在对于几种被CRISPR敲除过基因的作物的监管，比传统的转基因食品稍微轻一些。华盛顿的决策者们正在忙于辩论是否需要修改现有的监管条例。
2. 治疗遗传疾病的新工具：科学家们也可以用CRISPR/Cas9来编辑人类基因组，以敲除某些治病基因，诸如亨廷顿舞蹈症和囊性纤维化等。也有科学家证明了CRISPR可以从T细胞中消除艾滋病毒的感染。迄今为止，科学家们仍然只是在实验室中测试了这些技术的可能性，而真正的临床应用仍然还有很多的困难需要克服。
比如说，Cas9酶有时候会“走火”继而在不该编辑的地方编辑了基因，这个在人类细胞中的后果可能是灾难性的，比如癌症或者前所未见的疾病。过去几年中，在改良CRISPR的精确性方面有了长足的进步，但是科学家仍然呼吁在CRISPR的人体实验上多加小心。此外，如何将基因编辑系统输送到特定的细胞内依然是个难题。
3. 强大的新型抗生素和抗病毒药物：一个非常严重的健康问题就是我们现在有越来越少的抗生素可以用了，因为越来越多的细菌在产生抗药性，而且开发新的抗生素是个非常冗长的过程。但是CRISPR系统在理论上可以更加精确的消除细菌感染的威胁（当然，如何输送CRISPR依然是个问题）。也有一些研究者在讨论如何用CRISPR消灭艾滋病毒和疱疹病毒的威胁。
4. 改变整个种群的基因：科学家也证明了CRISPR可以在理论上修改整个种群的基因。这是一个新的叫做“基因驱动”的概念。它是这样工作的：通常对于一个物种而言，比如说果蝇，有着50%的几率将某个基因传递给下一代。但是CRISPR可以把几率提高到100%。通过“基因驱动”的技术，科学家可以确保整个种群的基因都被修改，并且传递到下一代。（图片来源：Javier Zarracina/Vox）
5. 创造经过“设计”的婴儿：这是最博眼球的一个。想到我们有一天会用CRISPR去编辑整个人类基因组来消除疾病，选择有成为运动员潜力或者更高智力的婴儿，这并不是一个牵强的想象。但事实上，科学家们还不能做到这些。2015年四月，中国科学家在世界上首次尝试在86个不能发育的人类受精卵中敲除一个会导致血液病的基因。结果是很糟糕的，只有71个受精卵存活了下来，其中又只有一小部分的基因被成功修改了。
在很多情况下，CRISPR“走火”导致了成功编辑的和非成功编辑的细胞杂和在了一起。（这些细胞并不能发育成婴儿，而是在实验后被清理了）。
这一项尝试仅仅是为了敲除某一个导致血液病的基因，并不涉及任何复杂的基因修改，比如提高智力一类。“我认为我们并不十分了解人类基因组是如何相互作用的，哪些基因会引发哪些性状。”Doudna告诉我的同事说，“这种情形会随着时间变化”，她补充道。
【等一等，我们真的应该创造出经过设计的婴儿吗?】
△超级宝宝？（图片来源：Shutterstock）
鉴于基因编辑领域的很多问题，科学界呼盱暂缓CRISPR应用的速度。在2015年12月，国际人类基因编辑峰会的组委会就警告研究者们也许该停止在临床实验中用CRISPR编辑人类生殖细胞一即精子，卵子和胚胎一至少现在时机还不成熟，而且，我们并不完全了解随之带来的一系列副作用。
此外，组委会告诉我们，人类社会也需要更多的时间来梳理基因编辑带来的伦理学问题。比如说，假使我们编辑人类生殖细胞，那么今后的每一代人类都无法退出这种编辑带来的影响了，因为基因编辑可能很难撤销。并且基因编辑可能增强某一小个人类群体的某些能力，继而造成极大的不公平。与此同时，组委会并没有完全排除用CRISPR编辑生殖细胞这一技术在未来的前景。
研究者依然可以用CRISPR在胚胎细胞和其他人类细胞中进行基因编辑，只要这些细胞并不会最终成为一个受孕的婴儿。但即使这样的尺度也让诸如Francis Collins的一些科学家忧心忡忡。他们建议美国政府在未来不要资助人类胚胎细胞的基因编辑一类的研究。与此同时，英国、瑞典和中国的科学家们却正在编辑不可发育的人类胚胎细胞方面进行大力的推进。
原文链接：http://www.vox.com/science-and-health/2016/12/30/13164064/crispr-cas9-gene-editing