開云官方入口 開云網(wǎng)址在這篇文章中，我們將目光聚焦于獲得去年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的CRISPR技術(shù)，介紹其工作原理及其應(yīng)用。

　　基因攜帶者生物體的遺傳信息，是儲(chǔ)存著生命的種族、血型、孕育、生長(zhǎng)、凋亡等過程的一套精確的密碼，決定了生物體的性狀。

　　基因編輯則可以人為改變這些密碼，調(diào)控生物體的各種性狀，諸如性別、毛色、膚色等等（當(dāng)然性狀也受環(huán)境的影響）。

　　然而基因編輯并非易事。原因之一便是基因眾多，組成簡(jiǎn)單生命最少要265到350個(gè)基因。這些基因上沒有標(biāo)簽，你無從知道哪段基因?qū)?yīng)了什么性狀。而且基因存在于微小的DNA中，尺度在納米級(jí)別。

　　微小而繁復(fù)，使得基因編輯就像是在一團(tuán)亂麻中找到想編輯的一段進(jìn)行微型手術(shù)，難度不言而喻。

　　而CRISPR這種基因編輯技術(shù)無視基因帶來的挑戰(zhàn)。它的強(qiáng)大之處在于能夠?qū)崿F(xiàn)精確的基因編輯，達(dá)到指哪打哪的程度。

　　CRISPR技術(shù)通過在特定位置添加、刪除或改變DNA實(shí)現(xiàn)基因編輯。在過去的十年里，圍繞著CRISPR技術(shù)的研究數(shù)量發(fā)生了爆炸式增長(zhǎng)。

　　這些研究帶來了諸多富有創(chuàng)新性的應(yīng)用，比如使用CRISPR技術(shù)對(duì)DNA納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)或是通過基因編輯來治療遺傳疾?。ɡ珑牋罴?xì)胞?。?。這些突破性研究極大地革新了傳統(tǒng)基因編輯技術(shù)。

　　為抵御外來病毒感染，細(xì)菌會(huì)切割并破壞入侵病毒的DNA。當(dāng)細(xì)菌從一次病毒感染中幸存下來后，它們會(huì)保留一部分病毒DNA，用于記錄這些“罪魁禍?zhǔn)住钡摹白靼笟v史”。這些從入侵病毒DNA中保留下來的“ 紀(jì)念品”則存儲(chǔ)在CRISPR中的spacers中。當(dāng)下一次相同病毒再次侵入時(shí)，細(xì)菌便可以快速識(shí)別出入侵病毒并破壞病毒DNA。

　　CRISPR基因編輯系統(tǒng)主要有兩部分：1）Cas9蛋白，充當(dāng)「剪刀」；2）可定制設(shè)計(jì)的RNA向?qū)蛄校╣uide），別特異性的DNA序列，作為「向?qū)А埂?/p>

　　要對(duì)基因進(jìn)行編輯，就得用「剪刀」先把不要的部分去除。而剪切的位置，則需要「向?qū)А箒碇敢?/p>

　　RNA向?qū)蛄惺桥c特定的剪切靶標(biāo)基因互補(bǔ)的單鏈核苷酸。舉個(gè)例子，產(chǎn)生鐮刀狀細(xì)胞的突變基因序列就可以作為向?qū)NA的靶標(biāo)序列。Cas9蛋白通過向?qū)NA“讀取”宿主的DNA，從而找到目標(biāo)基因。當(dāng)向?qū)NA與目標(biāo)序列配對(duì)后，通常就會(huì)觸發(fā)Cas9蛋白自身的切割機(jī)制，從而剪切目標(biāo)基因的核苷酸鍵。

　　在切割發(fā)生后，細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制會(huì)通過一種名為非同源末端連接（non-homologous end joining）的方法將被切割的核苷酸重新粘合在一起以完成剪切后修復(fù)。這種途徑較為迅速，但通常會(huì)出錯(cuò)或出現(xiàn)不完善的修復(fù)，使得該序列不再能被細(xì)胞讀取和翻譯，從而導(dǎo)致其失活。這種現(xiàn)象被稱為「基因敲除」（gene knockout）。

　　如果巧妙利用上述DNA修復(fù)途徑，可以用來編輯或插入新的遺傳密碼。這個(gè)過程被稱為「基因敲入」（gene knock in）。

　　在基因敲入的應(yīng)用中，CRISPR/Cas9系統(tǒng)與需要插入的DNA模板一同導(dǎo)入，并插入基因組中的精確位置。這一過程則需要啟動(dòng)另一種DNA修復(fù)機(jī)制——同源序列定向修復(fù)（homology-directed repair）——來收尾。該機(jī)制更為精確，但通常來說比非同源末端連接更耗時(shí)。

　　盡管這些研究都具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性，但CRISPR領(lǐng)域在過去十年中有了迅猛的發(fā)展。許多創(chuàng)新的方法都被開發(fā)出來以提高使用CRISPR/Cas9敲入基因的效率。不同種類的CRISPR的系統(tǒng)也被植入了多樣的功能元件，可以執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的功能。

　　前文已經(jīng)說到，RNA向?qū)蛄幸龑?dǎo)Cas9蛋白到需要切割的位置。但接下來如何保證Cas9蛋白切割位置的準(zhǔn)確性呢？

　　找到確定的切割位置固然重要，但如果最后臨門一切失之毫厘，那可就謬以千里了！

　　另外，如果生物體基因組里有多段基因都滿足向?qū)Фㄎ灰?，Cas9蛋白還能自動(dòng)甄別哪些才是應(yīng)該被切割的基因。

　　在細(xì)菌中，Cas9蛋白的功能依賴于一種被稱為“ PAMs”（protospacer adjacent motifs）的短DNA序列。該序列緊挨被切割的靶標(biāo)DNA區(qū)域。當(dāng)CRISPR系統(tǒng)定位到PAM序列時(shí)，便會(huì)與之結(jié)合，并在PAM序列上游三到四個(gè)核苷酸的位置進(jìn)行精確切割。

　　在這樣的機(jī)制下，CRISPR系統(tǒng)只會(huì)對(duì)包括PAM序列的位置進(jìn)行切割，從而防止了Cas9在基因組中所有包含匹配DNA的位置（包括CRISPR本身）隨意剪切。

　　人體的DNA中存在不同的PAM序列，而不同的CRISPR系統(tǒng)也經(jīng)過各種工程化改造具有了結(jié)合不同PAM序列的能力，從而拓寬了CRISPR的使用場(chǎng)景。

　　2019年，CRISPR第一次在成人體內(nèi)被用來治療鐮刀型貧血癥以及β-地中海貧血。科學(xué)家們通過移除病人體內(nèi)造血干細(xì)胞并在體外進(jìn)行基因編輯修正了致病基因突變。使用這項(xiàng)技術(shù)治療某些腫瘤和先天性失明也進(jìn)入了臨床試驗(yàn)階段。

　　CRISPR技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之外還有著許多的應(yīng)用，包括防止攜帶瘧疾的蚊子等入侵種群、研發(fā)性價(jià)比高的新冠病毒檢測(cè)試劑盒、開發(fā)“CAMERA”DNA“錄音機(jī)”以及制備更高效的生物燃料等等。許多人還預(yù)測(cè)這項(xiàng)技術(shù)有著改變食品行業(yè)的潛力，能在改善食品風(fēng)味、增強(qiáng)作物抗病能力甚至是解決食物過敏源等問題上大有作為。

　　然而，如同其他技術(shù)一樣，CRISPR修改基因的能力帶來了違背道德應(yīng)用的可能性及風(fēng)險(xiǎn)。

　　許多研究者和生物倫理學(xué)家都擔(dān)心CRISPR技術(shù)將會(huì)打開潘多拉的魔盒。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還遠(yuǎn)沒有到達(dá)完美無瑕的地步。特別是當(dāng)CRISPR技術(shù)被應(yīng)用到編輯人類基因時(shí)可能會(huì)造成難以預(yù)料的災(zāi)難。

　　人類基因組是一套精巧且復(fù)雜的系統(tǒng)。同一基因可能與多種功能有關(guān)，并且某些功能我們可能至今未知。因此，對(duì)一個(gè)基因進(jìn)行編輯就可能帶來出乎意料的遺傳改變，而這樣的改變甚至可能改造后代和整個(gè)人類。

　　CRISPR技術(shù)可能被用于除治療疾病以外的其他用途。例如被用于提升人體的某些能力和性狀，諸如外表和智力等等。

　　這樣“逆天”的能力如果被有權(quán)勢(shì)的人或者富人階級(jí)所壟斷，那么可能當(dāng)我們都還是受精卵的那一刻，高低貴賤的差距就已經(jīng)鎖定了。

　　CRISPR技術(shù)的濫用甚至?xí)a(chǎn)生具有優(yōu)良基因組的新種族，屆時(shí)種族矛盾會(huì)如何衍變？不敢想……別說未來，就是當(dāng)下，種族問題都是造成某些國(guó)家、地區(qū)動(dòng)蕩的主要因素。

　　因此，科學(xué)家們呼吁在CRISPR技術(shù)進(jìn)入臨床前先暫緩應(yīng)用于人類生殖細(xì)胞，以便給科學(xué)家和生物倫理學(xué)家更多的時(shí)間來評(píng)估和分析這項(xiàng)技術(shù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。我們目前不清楚討論會(huì)在何時(shí)結(jié)束，也不確定最終的結(jié)果會(huì)是怎樣。

　　盡管CRISPR相關(guān)的技術(shù)仍然需要進(jìn)一步完善，一些倫理問題也仍需解決，科學(xué)家們會(huì)通過不懈努力將這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展得更為精準(zhǔn)及高效。潛力無限的CRISPR技術(shù)今后如何發(fā)展？我們拭目以待。