基因编辑十年

编译 刘迪一

十年前，伊曼纽尔•卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗•杜德娜（Jennifer Doudna）于《科学》杂志撰文介绍了一种全新的基因组编辑技术。这是CRISPR领域的开山之作：她们将RNA介导的细菌免疫防御系统改造为一种靶向的DNA系统，论证了利用该系统开展可编程RNA引导的基因编辑的潜力。CRISPR那惊世骇俗的潜力在随后几年间改变了生命科学。

詹妮弗•杜德娜（左）和伊曼纽尔•卡彭蒂耶（右）获得诺贝尔奖

从基因驱动到基因筛查，从基因诊断到基因治疗，CRISPR核酸以及常与其配对的Cas酶变革了科学家修改DNA和RNA的方式。正如瑞典皇家科学院秘书长在公告里介绍的，杜德娜和卡彭蒂耶因开发了一种能“改写生命密码”的技术而获得2020年诺贝尔化学奖。然而，通过基因编辑篡改遗传信息也引出了伦理难题。

只要基因编辑技术存在，关于其所有权的法律争夺就会一直持续。杜德娜与卡彭蒂耶的CRISPR团队坐镇加州大学伯克利分校和奥地利维也纳大学，华人学者张锋的团队则属博德研究所（Broad Institute）麾下。两派均声称自己的队伍才是首个将CRISPR-Cas9用于复杂细胞（真核生物）基因编辑的团体。不同国家的专利局就此争论做出了不同裁决，而美国方面的最新决议是，隶属麻省理工学院和哈佛大学的博德研究所保留在真核生物中使用 CRISPR-Cas9 的知识产权，而卡彭蒂耶、加州大学和维也纳大学保留使用CRISPR-Cas9进行体外及原核生物编辑的原始专利。

尽管存在争议，CRISPR技术的学术和商业探索——从基因治疗到作物改良——仍将继续。以下是科学家妙用CRISPR的七大招式。

基因驱动

基因驱动是指通过特定手段令某种等位基因有偏向性地遗传，使得后代继承该基因的比例更高，从而使得特定突变及其控制的性状在种群内迅速扩散。但人为推动基因驱动绝非易事。CRISPR出现以前，科学家们已多次尝试，但都不得不承认制造转基因品种是桩艰巨任务。CRISPR技术加速了基因驱动的发展，研究人员借助它成功创建基因驱动。在2015年，科学家培育了大量抗疟疾寄生虫的蚊子。2019年，研究人员对小鼠做基因改造，令其后代更有可能通过白色皮毛散发红光，实现了对哺乳动物的首次基因驱动。

基因筛查

CRISPR出现以前，RNA干扰（RNA interference，简称RNAi）是用于识别疾病相关突变或评估细胞内潜在药物靶点的主要技术。RNA干扰是指双链RNA特异性地结合与之互补的mRNA，导致后者降解，从而特异性地抑制基因表达。RNA干扰需要设计与mRNA结合的RNA链，以阻止特定基因产生蛋白质。而CRISPR可带来更高效、更具特异性的靶向和抑制，因此CRISPR/Cas9迅速被用于大规模基因筛查。

单细胞筛查（SINGLE-CELL SCREEN）：一座向导RNA库（每条RNA都针对一个基于CRISPR干扰的独特基因，并携带一独特条形码序列）被引入一个细胞群；细胞群的浓度导致平均每个细胞有一向导RNA进入。接着将单个细胞分类成小滴，小滴上带有独特的条形码polyT引物，用于提取细胞的mRNA。之后对RNA的测序揭示了引入的基因突变（由向导RNA决定）以及由此带来的转录效应（由携带细胞特异性条形码的mRNA决定）

例如，将CRISPR筛查与类器官和遗传条形码技术相结合，帮助研究者在2021年发现了新的小脑症的调控基因。小脑症是一种罕见的神经系统疾病，此症患儿的大脑在怀孕期间未能正常发育，或于出生后停止生长，其头部较正常婴儿小得多。2016年，其他学者使用CRISPR筛查来寻找之于癌症免疫疗法研发不可或缺的基因，或识别非编码DNA中的增强子。

由于CRISPR可针对特定基因序列进行设计，学界正开发基于CRISPR的病原体平台，旨在快速经济地检测包括寨卡病毒、HPV和埃博拉病毒等在内的病原体。杜德娜实验室于2018年首次推出的DETECTR诊断系统通过检测核酸序列确认病毒身份。DETECTR使用一种别样的Cas酶——Cas12a。该酶能在结合目标序列后切断单链DNA。最初，他们将 CRISPR/Cas12a靶向人类乳头瘤病毒序列，其中包括一种报告DNA分子（reporter DNA molecule），会在被切割时发光，这使得任何阳性样本都很容易被发现。麻省理工学院的张锋发明了一种名为SHERLOCK的类似工具，并证明了它通过单点突变区分不同序列的能力——这意味着SHERLOCK可用于基因分型以及病毒变种和癌性突变的识别。

SHERLOCK和DETECTR目前都已被用于诊断新冠。miSHERLOCK自有一套完整的COVID-19检测体系，可在 3D打印设备中从头至尾地运行检测过程。至于DETECTR，研究人员将它与LAMP法相结合，后者全称为“环介导等温扩增法”（Loop-mediated Isothermal Ampli fi cation），是一种无需PCR即可扩增核酸序列的方法。在阳性测试中，Cas12酶能锁定其目标序列，并对核酸疯狂切割，还会切断一种报告分子（阳性测试可检测出此分子）。另一项基于CRISPR的方法最初被用于检测镰状细胞性贫血，现在也是识别新冠病毒的有利工具。

CRISPR的靶向特异性并不拘泥于核酸。另一个基于CRISPR的“CAMERA”系统可记录下来自人类和细菌细胞的化学信号。（CAMERA全名为CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus，可译作“CRISPR介导的模拟多事件记录装置”。）在CAMERA系统中，向导分子只产生于某些特定条件下，例如存在抗生素。一旦有了向导，CRISPR系统就会剪断某些DNA质粒，而又不切割其他质粒——靶向特异性决定哪些质粒被切割。通过测量这两类质粒的比例，研究人员可确定细胞是否暴露于某种条件下。诸如CAMERA之类的CRISPR工具也被用于生物传感器，以检测抗生素、营养素或毒素等化合物。

如果唾液样本中含有SARS-CoV-2的RNA，miSHERLOCK设备会发出明亮的光

基因治疗

基因编辑还为基因治疗打开大门。基因治疗旨在通过精确改变基因组以治疗或预防疾病。2017年，科学家借助锌指核酸酶，首次在人类身上实现了基因治疗。锌指核酸酶是一种基因编辑技术，在CRISPR-Cas出现以前曾风光无限，能够更精确地插入基因，因此称得上基因治疗的一柄良器。CRISPR 在2020年首次用于编辑活人体内基因：当时美国波特兰的医生将一种基于CRISPR的医疗包注射至患者视网膜以治疗遗传性失明。其他CRISPR基因疗法的试验，包括针对转甲状腺素蛋白淀粉样变性和β-地中海贫血等疾病的试验，都正在进行中。

医学应用

CRISPR编辑的治疗应用不必直接针对患者基因组。眼下开展的多项工作尝试以其他方式兑现CRISPR的医用潜力。例如，生物技术公司Eligo Bioscience正在开发基于CRISPR的战痘方法——靶向携带寻常性痤疮相关基因的痤疮丙酸杆菌。其他研究者正使用CRISPR来修饰CAR-T细胞。CAR-T细胞全名为“嵌合抗原受体T细胞”，是经过基因工程改造的T细胞，可产生用于免疫治疗的人造T细胞受体。CAR-T疗法是一种癌症免疫疗法，通过对患者的T细胞重新编程，以标记癌细胞进行破坏。不过这些于2020年被证明了安全性的CRISPR工程化CAR-T细胞尚未进入临床。

用CRISPR改造的猪对PPRS病毒有抗性

作物和牲畜改良

自从有了农耕，人类就一直努力提升食材品质，尤其是在自己养殖的食用动植物方面。起初，这些努力以人工选择和诱导突变的方式践行，追逐可遗传的理想性状。但现在，基因编辑帮助科学家们更精确地培育出有着更高产量、更强抗病性、更优营养成分以及其他有益特性的生物体。虽然锌指核酸酶和TALENs（一种可靶向修饰特异DNA序列的酶，全名“转录激活因子样效应物核酸酶”）等技术可以并且已经用于对作物和牲畜进行遗传改良，但这些技术比CRISPR更昂贵，精度更低。农业科技领域正在开展的CRISPR相关创新包括不变色蘑菇、抗病香蕉和小猪，以及高生产率的玉米。

基础研究

相比其他基因编辑技术，CRISPR成本低，精度高，用起来方便，这使它成为各个研究领域的首选技术。例如，CRISPR编辑为科学家们提供了关于长颈鹿奇怪体型来源的线索：在2021年的一项研究中，科学家将长颈鹿相比于其他反刍动物差异最大的基因——FGFRL1基因——插入小鼠体内，结果发现了一些细微变化，这些变化似乎表明长颈鹿的FGFRL1增强了机体骨骼和血管，以应对其独特的生活方式。研究人员还利用经CRISPR编辑的埃及伊蚊发现了人类皮脂中的特定化合物，标志着人类对昆虫的吸引力。2022年，科学家使用CRISPR-d/Cas9系统（CRISPR/Cas9的姊妹系统）成功逆转表观遗传标记，并减轻了大鼠的焦虑和嗜酒倾向。此成果表明，对表观基因组的深入解读有助于治疗“酒精使用障碍”。

资料来源 The Scientist