kaiyun平臺官網(wǎng)登錄 開云網(wǎng)站CRISPR 是什么？為什么科學(xué)界對它的潛在應(yīng)用如此著迷？從其定義開始，我們將解釋該技術(shù)如何利用一個古老的基于細(xì)菌的防御系統(tǒng)，以及它將如何影響當(dāng)今的世界。

　　想象這樣一個未來的場景，父母可以選擇未出生孩子的身高和眼睛顏色等等，從而創(chuàng)造出他們定制的嬰兒；想象一下可以根據(jù)自己的喜好定制所有你身邊所有生物的特征：你家里養(yǎng)的寵物的大小，你家陽臺上植物的壽命等等。

　　自 2012 年 CRISPR（也被稱為 Cas9 或 CRISPR-Cas9）被首次發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家一次一次地被它的應(yīng)用所震撼。

　　CRISPR 可能會改變我們?nèi)绾谓鉀Q世界上一些最宏大的問題的思路，例如癌癥、食物短缺和等等。最近甚至有報(bào)道其作為疾病高效診斷工具的新用途。但是，與任何新技術(shù)一樣，它也可能引起新的意外問題。

　　當(dāng)然，改變 DNA（生命準(zhǔn)則）將不可避免地帶來許多嚴(yán)重的問題。但是，如果不了解 CRISPR 的基礎(chǔ)知識，這個社會和 CRISPR 行業(yè)就無法進(jìn)行溝通，而溝通則是問題解決的基石。

　　在這篇文章中，我們從 CRISPR 的確切含義及其應(yīng)用和局限性入手，對 CRISPR 進(jìn)行介紹。

　　CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）本質(zhì)上是細(xì)菌體內(nèi)一系列短的重復(fù)的 DNA 序列，在細(xì)菌體內(nèi)起適應(yīng)性免疫作用（類似于人類的獲得性免疫）。它也被古細(xì)菌界的生物（單細(xì)胞微生物）使用。

　　CRISPR 附近始終伴隨著它的基因稱為 Cas（CRISPR-associated）基因，即下圖序列中的左側(cè)部分。Cas 基因一旦被激活就會產(chǎn)生一種特殊的酶，而這些酶似乎可以隨著 CRISPR 共同進(jìn)化。這些 Cas 酶的重要意義在于它們具有切入 DNA 的“分子剪刀”的能力。

　　細(xì)菌利用 CRISPR 基因序列來“記住”攻擊它們的每種特定病毒，如下圖右半部分所示。細(xì)菌首先將病毒的 DNA 整合到自己的基因組中，病毒 DNA 最終成為 CRISPR 序列中的間隔子，然后轉(zhuǎn)錄出 RNA，經(jīng)過一些剪切之后，這些 RNA 可以指導(dǎo)帶有 DNA 內(nèi)切酶活性的 Cas 蛋白至目標(biāo)外源 DNA 序列處，進(jìn)而剪斷外源 DNA 序列，實(shí)現(xiàn)對外來病原體的快速精確打擊。

　　然后，當(dāng)特定病毒再次嘗試攻擊時，此方法將為細(xì)菌提供保護(hù)或免疫力。并且，這些整合進(jìn)基因組的外來 DNA 序列還可以繼續(xù)傳給子代細(xì)菌。

　　簡單概括 CRISPR 在細(xì)菌內(nèi)消滅入侵序列的作用機(jī)制：當(dāng)病毒入侵細(xì)菌時，其獨(dú)特的 DNA 被整合到細(xì)菌基因組中的 CRISPR 序列中。這意味著下次病毒攻擊時，細(xì)菌會記住它，并發(fā)送 RNA 和 Cas 來定位和消滅病毒。

　　雖然還有其他源自細(xì)菌的 Cas 酶可以切斷攻擊細(xì)菌的病毒，但Cas9 是在動物體內(nèi)效果最佳的酶。廣為人知 CRISPR-Cas9 便是指用于切割動物（和人類）DNA 的一種 Cas 酶。

　　在利用這項(xiàng)技術(shù)時，研究人員增加了一個新步驟：當(dāng)一段 DNA 序列被 CRISPR-Cas9 切割后，帶有“修復(fù)”版本基因的新 DNA 序列可以嵌套在新的間隔子中。也就是說，切割過程可以完全“敲除”特定的有害基因，例如一些導(dǎo)致疾病的基因。

　　除了基本的編輯 DNA 之外，CRISPR 研究領(lǐng)域還在繼續(xù)向外延展。2017 年 12 月，索爾克研究所（Salk Institute）設(shè)計(jì)了“殘障人士”版的 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在不編輯基因組的情況下打開或關(guān)閉目標(biāo)基因的功能。這可以極大緩解人們對于基因編輯會永久性地改變基因的焦慮。

　　CRISPR 相關(guān)蛋白 9（Cas9）：剪掉不需要的 DNA 片段的“剪刀”

　　向?qū)?RNA 充當(dāng)“GPS 坐標(biāo)”，以找到想要編輯的 DNA 片段。完成定位之后，作為“剪刀”的 Cas9 就會使 DNA 雙鏈斷裂，而要插入的 DNA 將取代它。

　　雖然這項(xiàng)技術(shù)可能會使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療陷入混亂。但在此之外，我們也可以通過基因編輯將我們吃的食物轉(zhuǎn)化為燃料。

　　來自麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué) Broad 研究所的張鋒博士使用一句有趣的童謠描述了 CRISPR 編輯基因的過程。我們可以想象以如下這種方式修復(fù)某個 DNA 序列：

　　生物工程改造過的載體會在斷裂處插入正確的 DNA 片段，也就是“小”這個字。

　　CRISPR 序列于 1987 年首次發(fā)現(xiàn)。20 多年后的 2008 年，微生物學(xué)家 Luciano Marraffini 與西北大學(xué)的 Erik Sontheimer 共同撰寫了關(guān)于 CRISPR 的概論文章，但當(dāng)時這兩位科學(xué)家申請的相關(guān)專利卻都被拒絕了，因?yàn)樗麄儫o法證明這一發(fā)現(xiàn)有任何具體的應(yīng)用。

　　直到四年后的 2012 年，CRISPR 的功能及其驚人的潛力才被發(fā)現(xiàn)。最初發(fā)現(xiàn)細(xì)菌 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)功能的關(guān)鍵人物包括加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的 Jennifer Doudna 博士和法國科學(xué)家 Emmanuelle Charpentier 博士。他們的戰(zhàn)略合作開啟了生物技術(shù)的新時代。

　　另一個重要人物是張鋒博士，他在 2013 年弄清了 CRISPR 在小鼠和人類細(xì)胞上的治療應(yīng)用。哈佛遺傳學(xué)家 George Church 博士也為張鋒早期的 CRISPR 研究做出了貢獻(xiàn)。

　　這四位研究人員在建立當(dāng)今一些最為人所知的 CRISPR 治療創(chuàng)業(yè)公司中繼續(xù)扮著關(guān)鍵角色，這些公司包括Editas Medicine，CRISPR Therapeutics 和 Intellia Therapeutics。它們均于 2016 年上市，目前處于藥物發(fā)現(xiàn)/臨床前階段，正在研發(fā)針對各種人類疾病的 CRISPR 治療候選藥物。

　　在 CRISPR 誕生之前，也有其他兩種基因編輯技術(shù)在主導(dǎo)這一領(lǐng)域：鋅指核酸酶（ZFNs）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)子核酸酶（TALENs）。目前使用這兩個工具的研究工作仍在進(jìn)行中。

　　像 CRISPR 一樣，這些工具都可以切割 DNA。雖然它們的制造過程和使用過程都相對復(fù)雜，但他們具有自己的優(yōu)勢：ZFNs 可以更輕松地遞送至所選的目標(biāo)基因；TALENs 似乎比 CRISPR 具有更高的準(zhǔn)確率，并且可以減少由基因編輯導(dǎo)致的“脫靶突變”。

　　這兩個工具也分別具有非常重要的治療應(yīng)用：生物技術(shù)公司 Cellectis 使用 TALEN 基因編輯技術(shù)制備用于白血病治療的 CAR-T 細(xì)胞，而 Sangamo BioSciences 生產(chǎn)的 ZFNs 可以使導(dǎo)致 HIV 感染的關(guān)鍵基因失效。值得注意的是，這些公司都擁有這些特定基因編輯方法的關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)，這可能會使其他生物技術(shù)公司難以使用這些工具。

　　同時，再加上 CRISPR 的高效率、靈活性和便宜的價格，使其成為基因編輯技術(shù)當(dāng)仁不讓的焦點(diǎn)。盡管 CRISPR 可能會面臨一些知識產(chǎn)權(quán)方面的問題，但是由于該系統(tǒng)具有如此廣泛的應(yīng)用，所以它在多個方面的研究依然在迅速推進(jìn)。

　　每個行業(yè)都可以利用 CRISPR 作為工具：它可以創(chuàng)造人類疾病的新藥療法，幫助農(nóng)民種植自帶抗病原體能力的農(nóng)作物，創(chuàng)造新物種，甚至還可以使已經(jīng)滅絕的物種重生。

　　自從最初發(fā)現(xiàn) CRISPR 基因編輯機(jī)制以來，其應(yīng)用范圍迅速增長。盡管其探索還處于早期階段，“動物模型”已經(jīng)為我們提供了如何操縱 CRISPR 的關(guān)鍵思路。

　　由于哺乳動物與人類基因的相似度在 90％以上，因此小鼠是 CRISPR 一個理想的實(shí)驗(yàn)對象。

　　在小鼠體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)表明，CRISPR 可以關(guān)閉與杜氏肌營養(yǎng)不良癥（DMD）相關(guān)的缺陷基因，抑制與亨廷頓病相關(guān)的致命蛋白質(zhì)的形成，并且可以清除 HIV 感染。

　　2015 年，中國科學(xué)家通過禁用 Myostatin 基因（它指導(dǎo)正常的肌肉發(fā)育）制造了兩只超級肌肉小獵犬。在缺乏該基因的情況下，小獵犬表現(xiàn)出“肌肉肥大”的特性，從而創(chuàng)造出明顯比非轉(zhuǎn)基因狗更為強(qiáng)壯的狗。

　　CRISPR 的動物實(shí)驗(yàn)范圍很廣，還包括對長毛山羊進(jìn)行基因工程改造以提高羊絨產(chǎn)量，對無角奶牛進(jìn)行育種以避免繁瑣的剪角過程等。

　　相比于動物實(shí)驗(yàn)，編輯人類 DNA 的 CRISPR 試驗(yàn)進(jìn)展緩慢，這在很大程度上是由道德和法規(guī)問題所導(dǎo)致的。

　　鑒于改變?nèi)祟惢蚪M的永久性，F(xiàn)DA 依然在謹(jǐn)慎地考慮 CRISPR。一些科學(xué)家甚至提議暫停 CRISPR 試驗(yàn)，直到我們獲得更多 CRISPR 對人類潛在影響的信息為止。

　　2018 年 5 月，F(xiàn)DA 要求 CRISPR Therapeutics 暫停其首次人類 CRISPR 試驗(yàn)計(jì)劃，直到該公司回答完有關(guān)其治療細(xì)節(jié)的問題為止。十月，F(xiàn)DA 解除了臨床控制，并接受了 CRISPR Therapeutics 治療鐮狀細(xì)胞病的研究性新藥的申請。

　　大約在同一時間，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員開始了一項(xiàng)研究，評估對多發(fā)性骨髓瘤，黑色素瘤和肉瘤患者使用 CRISPR 治療的安全性。

　　在歐洲，另一項(xiàng)對 CRISPR 治療療法的研究集中在一種稱為 β -地中海貧血的血液疾病上，該疾病會導(dǎo)致異常的紅細(xì)胞產(chǎn)生。CRISPR Therapeutics 與波士頓的 Vertex Pharmaceuticals 一起，于 2018 年 9 月正式開始其 β -地中海貧血療法的首次臨床試驗(yàn)。

　　盡管上述的研究都是開創(chuàng)性的，但這些并不是第一個使用 CRISPR 編輯人類遺傳物質(zhì)的研究。2017 年 8 月，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)生殖生物學(xué)家 Shoukhrat Mitalipov 領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)獲得了私人資金的支持，使用 CRISPR-Cas9 靶向可存活的人類胚胎中的一種可導(dǎo)致心肌增厚的突變，在實(shí)驗(yàn)室中，基因編輯后的胚胎恢復(fù)了 72％ 的無突變狀態(tài)（高于通常的 50％ 遺傳幾率）。

　　一些批評家說，即使編輯后的胚胎并不會被轉(zhuǎn)移和植入，對胚胎的基因編輯依然是不道德的。這種類型的測試并不能拿到聯(lián)邦資助，而只能依靠私人捐贈者的資助。

　　會受到 CRISPR 沖擊的領(lǐng)域包括醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域。得益于 CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)的制造和使用的方便性，各個科學(xué)領(lǐng)域的研究人員都可以使用這一工具來對他們選擇的有機(jī)體進(jìn)行基因工程改造。

　　鑒于需要確?；颊甙踩?，并全面掌握各種預(yù)料之外的副作用，目前的藥物研發(fā)生產(chǎn)過程非常漫長。而且，當(dāng)下各國政府的監(jiān)管政策通常會導(dǎo)致新藥走完從研發(fā)到上市的整個流程需要數(shù)十年的時間。

　　但是，相比于這一較長時間的預(yù)期，使用 CRISPR 的團(tuán)隊(duì)可以更快地將定制療法推向市場，從而加速傳統(tǒng)藥物研發(fā)流程。

　　CRISPR 可準(zhǔn)確、快速地識別潛在的基因靶標(biāo)，以進(jìn)行有效的臨床前測試。因?yàn)?CRISPR 可以用來“敲除”不同的基因，這就為研究人員提供了一種更快、更實(shí)惠的方式來研究數(shù)十萬個基因，來研究特定基因和特定疾病的關(guān)系。

　　當(dāng)然，除了提供更簡化的藥物開發(fā)過程外，CRISPR 還提供了治療患者的新方法。

　　例如，單基因疾病，即由單個基因突變引起的疾病，就為 CRISPR 治療提供了一個有吸引力的起點(diǎn)。這些疾病的特性為治療提供了確切的目標(biāo)：解決單個基因上有問題的突變。

　　此外，血液類的單基因疾?。ɡ?β -地中海貧血或鐮狀細(xì)胞病）也很適合 CRISPR 治療，因?yàn)樗鼈兌伎梢栽隗w外進(jìn)行治療（稱為離體治療），患者的血細(xì)胞可以被取出患者體外，用 CRISPR 系統(tǒng)進(jìn)行治療之后回輸人體。

　　盡管近年來人類在抗生素藥物的開發(fā)方面取得了重大進(jìn)展，但這同時，許多細(xì)菌感染菌株已對常規(guī)抗生素產(chǎn)生了高度抗性。根據(jù)疾病預(yù)防控制中心（CDC）的數(shù)據(jù)，每年耐抗生素病原體感染超過 200 萬人，每年因此而死亡的患者可多達(dá) 23000 名。

　　威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的藥物科學(xué)教授杰森·彼得斯（Jason Peters）開發(fā)了一種分析抗生素對一系列病原細(xì)菌的療效的新方法。這項(xiàng)名為 Mobile-CRISPRi 的技術(shù)減少了特定基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的數(shù)量，從而使科學(xué)家能夠更精確地研究抗生素抑制細(xì)菌病原體的傳播的過程。

　　與大多數(shù) CRISPR 技術(shù)切割 DNA 鏈不同，Mobile-CRISPRi 僅阻止蛋白質(zhì)訪問和激活特定基因。彼得斯的技術(shù)已被應(yīng)用于一系列常見的細(xì)菌感染的研究，包括李斯特菌、沙門氏菌和葡萄球菌，這可能有助于研究人員更好地去研究如何克服這些病原體對現(xiàn)有藥物的耐藥性。

　　酸奶公司 Danisco 在 2000 年代率先開發(fā)了 CRISPR 的早期應(yīng)用，當(dāng)時的科學(xué)家使用 CRISPR 的早期版本來對抗牛奶和酸奶培養(yǎng)物中發(fā)現(xiàn)的主要細(xì)菌（嗜熱鏈球菌），該細(xì)菌一直被病毒感染。那時，人們還沒搞清楚 CRISPR 的工作原理。

　　時間快進(jìn)到今天，氣候變化將進(jìn)一步增加使用 CRISPR 保護(hù)食品和農(nóng)業(yè)行業(yè)免受新細(xì)菌侵害的需求。例如，隨著生長地區(qū)變得越來越干燥，可可豆變得越來越難以耕種。這一類環(huán)境變化將進(jìn)一步加劇病原體造成的破壞。

　　為了解決這個問題，加州大學(xué)伯克利分校的創(chuàng)新基因組學(xué)研究所（IGI）正在應(yīng)用 CRISPR 來創(chuàng)造可以抵抗疾病的可可豆。全球領(lǐng)先的巧克力供應(yīng)商 MARS Inc. 正在支持這項(xiàng)工作。

　　基因編輯可以提高耕種效率。它可以遏制糧食作物的全球短缺，如土豆和西紅柿等。同樣，它可以生產(chǎn)出能抵御自然災(zāi)害的作物，它們能不受干旱和其他環(huán)境影響。

　　監(jiān)管機(jī)構(gòu)對基因編輯的農(nóng)作物幾乎沒有抵觸，尤其是美國農(nóng)業(yè)部（USDA）并沒有在監(jiān)管這一領(lǐng)域。這主要是因?yàn)閷?CRISPR 應(yīng)用于農(nóng)作物基因編輯時，不會向農(nóng)作物的基因組中添加任何外源 DNA，CRISPR 僅僅通過編輯農(nóng)作物自身的遺傳基因以選擇所需的性狀。

　　2016 年，經(jīng)過改良以抵抗褐變的白色紐扣蘑菇成為第一個被 CRISPR 編輯的生物體，其繞過了 USDA。2017 年 10 月，農(nóng)業(yè)公司杜邦先鋒和 Broad 研究所宣布合作，將利用 CRISPR-Cas9 進(jìn)行農(nóng)業(yè)研究。

　　最近，巴西和愛爾蘭研究人員發(fā)表的一篇論文聲稱，CRISPR 基因編輯可以幫助農(nóng)民種植像辣椒一樣辣的西紅柿。這篇論文著重介紹了辣椒素的基因操作，作為一個可以在包括西紅柿在內(nèi)的其他食品中栽培的特性的例子。

　　盡管辣椒素是一種非常有價值的化合物，從執(zhí)法人員使用的胡椒噴霧劑到某些麻醉產(chǎn)品都可以用到，但由于辣椒的對生長環(huán)境要求苛刻，所以它們的種植難度很高。研究人員希望通過使用 CRISPR 重新激活西紅柿中的一個基因（西紅柿與辣椒具有相同的遺傳祖先），從而使這種辣椒西紅柿可以在更廣泛的環(huán)境下生長。

　　以上這些例子表明，新品種的農(nóng)作物進(jìn)入市場的速度比想象的要快得多。沒有美國農(nóng)業(yè)部的監(jiān)督，這些轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)品可能會相對較快地投入生產(chǎn)。

　　這將會直接影響到我們吃的食物，因?yàn)槭称方?jīng)過編輯可以攜帶更多的營養(yǎng)或者獲得更長的保質(zhì)期。

　　2017 年 10 月，中國科學(xué)院的科學(xué)家使用 CRISPR 基因工程改造的豬肉少 24％ 的脂肪。

　　圖 六個月大的豬在冷暴露后零，二，四個小時的紅外照片?；蚓庉嫷呢i在圖像的右側(cè)。（來源: Zheng et al./PNAS）

　　CRISPR 的另一個關(guān)鍵但不太明顯的用途是在工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域。通過使用 CRISPR 重新改造微生物，研究人員可以創(chuàng)建新材料。

　　從工業(yè)角度來看，這對于修改和創(chuàng)建新的化學(xué)產(chǎn)品非常重要。我們可以改變微生物以增加多樣性，創(chuàng)造新的生物基材料，并生產(chǎn)更有效的生物燃料。從香料中的活性化學(xué)物質(zhì)到工業(yè)清潔相關(guān)的 CRISPR，在這里，CRISPR 可能會通過創(chuàng)造新型和更有效的生物材料而產(chǎn)生巨大影響。

　　詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）的第一家 CRISPR 創(chuàng)業(yè)公司 Caribou Biosciences 成立于 2011 年，其宗旨是跨行業(yè)進(jìn)行非治療研究。它是為各個行業(yè)提供使用CRISPR 進(jìn)行多種用途的工具的主要公司之一。

　　這項(xiàng)新技術(shù)可能會帶來意想不到的影響和未知變量，而隨著人類試驗(yàn)的臨近，新的道德問題和爭議也不斷涌現(xiàn)。

　　當(dāng)使用 CRISPR 進(jìn)行人類治療時，安全是最大的問題。與任何新形式的技術(shù)一樣，研究人員不確定 CRISPR 的全部作用范圍。

　　脫靶活動是這里的主要問題。單個基因編輯可能會導(dǎo)致基因組其他地方發(fā)生意外活動。這種情況的可能后果是組織異常生長，從而導(dǎo)致癌癥。隨著更多的研究發(fā)現(xiàn)新的細(xì)節(jié)，這可能會導(dǎo)致更精確的基因靶向。

　　另一個問題是馬賽克生成的可能性。在進(jìn)行 CRISPR 治療后，患者可能會同時擁有已編輯和未編輯的細(xì)胞——“馬賽克”。隨著細(xì)胞繼續(xù)分裂和復(fù)制，某些細(xì)胞可能會得到修復(fù)，而其他細(xì)胞則無法修復(fù)。

　　最后，免疫系統(tǒng)并發(fā)癥意味著這些干預(yù)和療法可能會觸發(fā)患者免疫系統(tǒng)產(chǎn)生不良反應(yīng)。早期研究表明，免疫系統(tǒng)可能在 Cas 酶達(dá)到其目的之前就將其清除，或者可能產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而導(dǎo)致諸如炎癥的副作用 （1999 年，美國一名患者死于嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，在進(jìn)行 CRISPR 試驗(yàn)時使研究人員更加謹(jǐn)慎）。

　　不同的酶（“分子剪刀”）或更精確的遞送載體可以降低脫靶活性。如果對卵或中修飾的干細(xì)胞（即可以成為人體每個細(xì)胞的細(xì)胞）進(jìn)行編輯，則可以避免鑲嵌。

　　由于存在免疫系統(tǒng)問題，研究人員可以從人類尚未具有適應(yīng)性免疫力的細(xì)菌菌株中分離出不同的 Cas 蛋白，從而避免有害的免疫反應(yīng)。同時，離體療法（科學(xué)家將患者的血細(xì)胞帶出體外，然后再將其輸回體內(nèi)進(jìn)行治療）也可以幫助繞過免疫系統(tǒng)。

　　CRISPR 的一個潛在的大限制是 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)缺乏手術(shù)精度。Cas 酶切割了 DNA 雙螺旋的兩條鏈，而這種“雙鏈斷裂”使人們對切割的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了擔(dān)憂。

　　目前，Cas9 酶作為“切割”酶受到了最廣泛的關(guān)注，但科學(xué)家們正在積極尋找替代物以尋找更好的候選物。

　　其他選擇包括較小版本的 Cas9 或完全不同的酶：Cpf1，由于其易于運(yùn)輸至目標(biāo) DNA 位置而廣受歡迎。

　　除了使用其他 Cas 酶外，治療基因的替代轉(zhuǎn)運(yùn)載體也是另一種選擇。無害工程病毒可以將治療基因攜帶到突變位點(diǎn)，而脂質(zhì)納米顆粒可以避免免疫系統(tǒng)的檢測，從而避免免疫反應(yīng)。兩種選擇都提出了有希望的研究途徑。

　　當(dāng)技術(shù)可以改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣時，它的意義是深遠(yuǎn)的，它的爭議也是如此。在這里，我們概述了有關(guān) CRISPR 的一些主要爭議。

　　按照這種邏輯，寵物主人可以用指定的顏色和大小設(shè)計(jì)他們想要的狗。而且，父母可以修改控制身高或眼睛顏色的基因來“設(shè)計(jì)”孩子。如果我們能夠分離出與智力有關(guān)的基因，同樣也可以操縱智力。

　　盡管批評家說該技術(shù)只可應(yīng)用于治療需求，但 CRISPR 的快速發(fā)展似乎并不會很快放緩，而且基因編輯的生物已經(jīng)被創(chuàng)造出來用于非治療目的。

　　2015 年，北京基因組研究所（BGI）通過去除與生長相關(guān)的基因創(chuàng)造了“微型豬”。重量僅為 30 磅，與豬的正常體重 100 磅相去甚遠(yuǎn)。BGI 最初希望以每只 1600 美元的價格出售微型豬，并為消費(fèi)者提供定制的尺寸和顏色選擇。計(jì)劃最終在 2017 年被取消。

　　盡管 BGI 使用 TALENs 而非 CRISPR 來編輯豬的基因，但是 CRISPR 在“設(shè)計(jì)”未來寵物方面也存在類似的問題。該設(shè)計(jì)器應(yīng)用程序展示了動物和人類進(jìn)化方向上的永久性和不可逆轉(zhuǎn)。

　　最近，中國科學(xué)家賀建奎被指控使用 CRISPR 創(chuàng)造了世界上第一個基因編輯的嬰兒，這引發(fā)了關(guān)于 CRISPR 在人類基因組中應(yīng)用的爭論。盡管倫理問題陷入了輿論風(fēng)暴中心，但他的研究背后的科學(xué)也受到許多科學(xué)家的關(guān)注。

　　賀的研究重點(diǎn)是 CCR5 基因，人類免疫缺陷病毒（HIV）通過健康細(xì)胞中的這一基因傳播至全身。盡管這對雙胞胎的父親是艾滋病毒陽性，但兩個孩子都沒有感染。盡管如此，他還是繼續(xù)使用 CRISPR 編輯嬰兒的 CCR5 基因，為女孩的 CCR5 基因引入了三個新的基因突變。

　　雖然未來可能會改變，但就目前而言，備受爭議的“設(shè)計(jì)嬰兒”帶有嚴(yán)重的倫理學(xué)問題和科學(xué)不確定性，因?yàn)?CRISPR 的許多研究仍處于高度實(shí)驗(yàn)階段。

　　猛犸象最后一次出現(xiàn)在3600年前。如果能帶回這些古老的生物，我們要這樣做嗎？目的是什么？無論是出于好奇還是出于有效的科學(xué)目的，目前業(yè)界已經(jīng)有所爭論。

　　簡而言之，該過程涉及獲取滅絕動物最近的親戚的胚胎，并使用 CRISPR-Cas9 插入滅絕物種的 DNA，這樣滅絕的動物就可以再次在地球上出現(xiàn)。

　　不同的科學(xué)團(tuán)體和組織已經(jīng)在實(shí)施這項(xiàng)試驗(yàn)。值得注意的是，The Long Now Foundation 的一個名為 “ Revive＆Restore” 的項(xiàng)目旨在恢復(fù)滅絕的動物，如候鴿和猛犸象。博德研究所的遺傳學(xué)家喬治·丘奇在該項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。

　　使用 CRISPR 進(jìn)行“種系修飾”使科學(xué)界嗅到了緊張的氣息。體細(xì)胞修飾是在皮膚，大腦，肌肉和心臟細(xì)胞等體細(xì)胞上進(jìn)行的，這些修飾不會傳遞給后代。另一方面，生殖細(xì)胞的修飾是在生殖卵或精細(xì)胞中攜帶的基因中完成的，因此將被后代繼承。

　　這就提出了一個問題：在倫理角度，我們是否可以選擇未來子孫后代的基因變成什么樣？

　　對種系細(xì)胞進(jìn)行基因改變的后果，解釋了為什么直到最近，研究人員僅將無生命的人類胚胎用于 CRISPR 研究。在 2017 年 3 月，在中國進(jìn)行了關(guān)于人類活胚的首次 CRISPR 實(shí)驗(yàn)。值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)顯示的基因編輯成功率要高于先前針對無生命胚胎的實(shí)驗(yàn)。

　　盡管存在爭議，但改變種系細(xì)胞的明顯好處是，隨著個體的發(fā)展，疾病的自我表達(dá)可以被控制。生殖細(xì)胞療法也保證可以到達(dá)患者體內(nèi)的每個細(xì)胞。

　　生物黑客們表示，他們希望利用 CRISPR 加快之前冗長的研發(fā)流程，這引起了是否應(yīng)該監(jiān)管以及如何監(jiān)管的問題。

　　生物黑客最近進(jìn)行的眾籌活動引起了很多關(guān)注。生物黑客初創(chuàng)公司 Odin 在其網(wǎng)站上出售 DIY 細(xì)菌 CRISPR 試劑盒，零售價為 159 美元。Odin 的首席執(zhí)行官 Josiah Zayner 在 2017 年 10 月于舊金山舉行的合成生物學(xué)會議上為自己注射了 CRISPR 修飾的肌肉生長基因。

　　目前，這種類型的生物黑客仍然不受管制，因?yàn)樗亲晕易⑸?，而不是對其他人的?shí)驗(yàn)。但是，F(xiàn)DA 確實(shí)禁止銷售這種治療方法，即使是用于自我注射。

　　即使在受到嚴(yán)格控制的臨床環(huán)境中，遺傳突變也可能是不可預(yù)測的。在 2018 年 7 月，分子生物學(xué)家 Lydia Teboul 寫到，使用 CRISPR 試劑時，特別是在使用某些類型的遺傳物質(zhì)時，有很大可能產(chǎn)生不可預(yù)測的結(jié)果。

　　2017 年 5 月，哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員發(fā)表了一篇現(xiàn)已撤回的論文，聲稱 CRISPR 可能會在編輯的基因組中引起數(shù)百種意想不到的基因突變。在未能重現(xiàn)其初步結(jié)果后，研究人員被迫于 2018 年 3 月撤回該論文，但有關(guān) CRISPR 潛在副作用的許多問題尚未得到解答。

　　CRISPR 技術(shù)的未來應(yīng)用本質(zhì)上與生命本身的形式一樣無限。盡管當(dāng)前的舉措主要針對治療或食品技術(shù)，但 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)也有一些不太突出但非常實(shí)際的應(yīng)用。

　　由于對的需求很高，而且沒有合適的供應(yīng)，因此異種移植（這里是 FDA 的定義）可以成為許多等待的病人的解決方案。

　　干細(xì)胞通過 Cas9 進(jìn)行“培養(yǎng)”，并定向成為某種細(xì)胞類型（即心臟，肝臟，胰腺等）。

　　總部位于加利福尼亞州的 Salk 研究所于 2017 年 1 月宣布它制造了一種由豬和人細(xì)胞組成的嵌合體，在科學(xué)界引起了很大轟動。

　　異種移植先前已在具有大鼠干細(xì)胞的小鼠中進(jìn)行了測試：CRISPR-Cas9 用于關(guān)閉可在小鼠中形成胰腺的基因，而是將大鼠干細(xì)胞插入小鼠胚胎中。按照程序，小鼠繼續(xù)生長大鼠胰腺。

　　后來，研究人員在豬胚胎中插入了人類干細(xì)胞。由于安全和有效性方面的考慮，該研究在第 4 周停止。研究人員確實(shí)注意到，一些干細(xì)胞專門用于這些豬的胚胎，這意味著它們正在開始變成人體組織。盡管這種成功的發(fā)生率低于老鼠胚胎中大鼠胰臟的成功水平，但這仍然是相當(dāng)科學(xué)的壯舉。

　　eGenesis 由喬治·丘奇（George Church）共同創(chuàng)立，也在這一領(lǐng)域開展工作，其目標(biāo)是制造供人類使用的豬器官。2017 年 8 月，科學(xué)家對豬胚胎中的 60 多個基因進(jìn)行了修飾，以消除在移植場景中人體會排斥的逆轉(zhuǎn)錄病毒。

　　如果研究人員想出一種在活體動物中生長人類細(xì)胞的方法，他們可以創(chuàng)造出與患者特別匹配的器官。每個患者的干細(xì)胞都可以產(chǎn)生由他或她自己獨(dú)特的 DNA 組成的工程器官，從而減少排斥的風(fēng)險和器官衰竭的其他后果。

　　沒有蚊子的未來，也就是沒有瘧疾，寨卡病毒，基孔肯雅病毒，登革熱的未來。沒有這些昆蟲來傳播疾病，世界各地的生命將得以挽救。

　　CRISPR 可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這個夢想。從表面上看似乎是個好主意，然而，這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

　　通常，每個基因都有 50％ 的機(jī)會被遺傳。但是基因驅(qū)動提供了一種使某些遺傳結(jié)果更有利的方法。如果科學(xué)家使用基因編輯技術(shù)改變基因驅(qū)動力，他們將創(chuàng)造出快速的進(jìn)化途徑。

　　2016 年 12 月，倫敦帝國理工學(xué)院的研究人員，構(gòu)想了一種消除攜帶瘧原蟲的整個蚊子種群的方法。該計(jì)劃涉及使用 CRISPR 添加 DNA 序列，以確保無瘧疾的蚊子胚胎的遺傳偏向。隨著這些無病蚊子的發(fā)展和成熟，它們會與種群中的其他野生蚊子交配，并最終停止攜帶瘧疾。

　　盡管該技術(shù)顯示出希望，但基因驅(qū)動技術(shù)尚未完全成熟。一些專家擔(dān)心，那些基因序列已被改變的動物進(jìn)入野外種群，可能會無意中給環(huán)境中的不利因素更多的時間發(fā)展抗性。

　　由美國國家情報(bào)局前局長詹姆斯·克拉珀（James Cler）在 2016 年 2 月發(fā)布的《美國情報(bào)界全球威脅評估》中陳述，“基因組編輯”被列為“大規(guī)模毀滅和擴(kuò)散武器”概述的潛在自然安全威脅。

　　像 EcoNexus 和 ETC Group 這樣的遺傳監(jiān)督組織警告說，基因編輯會被濫用。CRISPR 可以通過對新病原體的工程改造來產(chǎn)生新一代生物武器，或者為生物提供靈感。如果昆蟲能夠攜帶和傳遞毒素，那么可能會使用這項(xiàng)技術(shù)。

　　DARPA 已經(jīng)在為這種情況做準(zhǔn)備，并開發(fā)解毒劑，因?yàn)樗鼈冎铝τ趯ふ铱梢阅孓D(zhuǎn)有害基因驅(qū)動效應(yīng)的解決方案。

　　Jennifer Doudna 與她的同事 Emmanuelle Charpentier（現(xiàn)在是柏林馬克斯·普朗克感染生物學(xué)研究所所長）一起發(fā)明了最初的 CRISPR 技術(shù)而廣受贊譽(yù)。兩位科學(xué)家于 2012 年 5 月向美國專利和商標(biāo)局（USPTO）申請了第一項(xiàng)專利。2012 年 8 月，Doudna 和 Charpentier 在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了被認(rèn)為是關(guān)于 CRISPR-Cas9 的第一篇學(xué)術(shù)論文。

　　六個月后，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的 Eli and Edythe L.Broad Institute 向美國專利商標(biāo)局（USPTO）申請了 CRISPR-Cas9 修飾真核細(xì)胞 DNA 序列的方法的專利，該方法是由分子生物學(xué)家張鋒開發(fā)的一種方法 。

　　后來，加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkley）向美國專利商標(biāo)局提起訴訟，指控張的專利侵犯了 Doudna 和 Charpentier 的工作，并要求張的專利無效。這引發(fā)了長達(dá)三年多的關(guān)于 CRISPR 知識產(chǎn)權(quán)的激烈斗爭。

　　CRISPR-Cas9 關(guān)鍵專利的爭奪最終于 2017 年 2 月由美國專利商標(biāo)局授予了 Broad 研究所。不過，歐洲專利局（EPO）于 2018 年 1 月撤銷了 Broad 的一項(xiàng)專利，理由是該專利不包括紐約洛克菲勒大學(xué)微生物學(xué)家 Luciano Marraffini 的貢獻(xiàn)。這一遺漏使 Broad 研究所無法要求美國最早的專利申請的優(yōu)先權(quán)日期，這意味著 Broad 研究所的研究人員聲稱自己是第一個在真核生物專利中使用 CRISPR 的人，并不符合 EPO 標(biāo)準(zhǔn)。

　　CRISPR 基本技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)問題目前似乎已解決。然而，隨著 CRISPR 基因編輯技術(shù)的變化和專業(yè)化，可能會發(fā)生類似的法律斗爭。

　　在 100 年，50 年甚至 10 年內(nèi)，基因編輯的面貌可能會完全不同。

　　將來，對植物，動物甚至人類中的基因進(jìn)行調(diào)整或設(shè)計(jì)可能會成為標(biāo)準(zhǔn)做法，從而對基因庫和進(jìn)化過程產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響。

　　盡管目前上面提出的一些想法目前看來有些牽強(qiáng)，但這很容易會變。畢竟，CRISPR 并不是一種昂貴的、難以獲得的技術(shù)形式。它已經(jīng)可用并且正在使用中。從農(nóng)民到研究人員，CRISPR 都會對我們的社會產(chǎn)生影響。