通常情況下，當(dāng)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(fù)序列叢集/常間回文重復(fù)序列叢集關(guān)聯(lián)蛋白系統(tǒng)（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins）。它對于生物學(xué)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(shù)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(dāng)初的福特T型車一樣，經(jīng)典的CRISPR技術(shù)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(jié)合，有時候還會切割錯誤的位置。而且，它沒有關(guān)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(xué)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(shù)黯然失色。因此，如果你有志于在這一領(lǐng)域大展身手的話，請做好準(zhǔn)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(shù)的標(biāo)志性特征。但是，在Cas9內(nèi)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(fēng)險?！　∮嗅槍π缘那懈畈僮魇荂RISPR技術(shù)的標(biāo)志性特征。但是，在Cas9內(nèi)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(fēng)險。

突飛猛進(jìn)

有針對性的切割操作是CRISPR技術(shù)的標(biāo)志性特征。但是，在Cas9內(nèi)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(fēng)險。細(xì)胞在修復(fù)這種劇烈的基因損傷時可能會出現(xiàn)錯誤。這也是科學(xué)家希望設(shè)計出更安全的方法，以達(dá)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(jié)合DNA。接著，用其他蛋白質(zhì)——比如能激活基因表達(dá)的蛋白質(zhì)——與失去部分功能的Cas9核酸酶結(jié)合，在不改變DNA序列的情況下共同控制基因的開啟和關(guān)閉（有時要用到光或化學(xué)信號）。這種“表觀遺傳學(xué)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(shù)最適合的則是由單一突變導(dǎo)至的功能障礙問題。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(yán)重疾病進(jìn)行治療。

哈佛大學(xué)和布羅德研究所的科學(xué)家甚至已經(jīng)對CRISPR系統(tǒng)進(jìn)行了更大膽的改進(jìn)：對單個堿基對進(jìn)行編輯。為了實現(xiàn)這一目的，他們必須設(shè)計出一種全新的、在自然界中不存在的酶，能夠從化學(xué)上將配對的腺嘌呤（A）-胸腺嘧啶（T）轉(zhuǎn)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(xué)化學(xué)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(fù)?！拔也幌Ｍ妼Υ擞绣e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(xì)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(zé)任。最大的問題在于，這個時代能達(dá)到的能力有多大？以及我們?nèi)绾文鼙M可能快地用這些技術(shù)來造福社會？”

如何控制風(fēng)險？

CRISPR/Cas系統(tǒng)是存在于多數(shù)細(xì)菌和絕大多數(shù)古菌中的一種后天免疫機(jī)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(yīng)用上。CRISPR在細(xì)胞里存留的時間越長，它把某些片段當(dāng)作目標(biāo)基因并進(jìn)行切割的風(fēng)險就越大。

為了最大程度地降低這些偏離目標(biāo)的問題，科學(xué)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(zhì)家族，即能夠抑制基因編輯酶的蛋白質(zhì)分子。不過，科學(xué)家只了解其中少數(shù)幾種蛋白質(zhì)的工作機(jī)制。有些蛋白質(zhì)能直接與Cas9結(jié)合，阻止它連接到DNA上；另一些蛋白質(zhì)則可以激活與Cas9競爭基因組位置的酶。目前，加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)舊金山分校、哈佛大學(xué)、布羅德研究所和多倫多大學(xué)都在努力研究利用這些天然關(guān)閉機(jī)制的方法，使它們成為可編碼的控制工具。

除了醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，這些蛋白質(zhì)家族還對“基因驅(qū)動”（gene drive）領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展有重要意義。基因驅(qū)動最早在2003年由倫敦帝國理工學(xué)院演化遺傳學(xué)家奧斯??？伯特（Austin Burt）提出，指一種能將特定性狀快速擴(kuò)散到種群中的基因編輯技術(shù)。如果能以某種方式推動演化進(jìn)程，將非常有利于人類應(yīng)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(dǎo)至瘧疾的蚊子，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(zāi)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(qū)動設(shè)計，其中就包括抗CRISPR“關(guān)閉開關(guān)”。

Cas酶的進(jìn)展

盡管幾十年來基因技術(shù)突飛猛進(jìn)，但還是有很多科學(xué)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(jìn)入細(xì)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(xué)和布羅德研究所的張鋒（CRISPR關(guān)聯(lián)蛋白的發(fā)現(xiàn)者之一）團(tuán)隊尋找以RNA為目標(biāo)的Cas酶的原因。

由于細(xì)胞在組裝蛋白質(zhì)時讀取的遺傳信息來自RNA，因此它們攜帶著更多關(guān)于特殊疾病的基礎(chǔ)遺傳信息。而且，由于RNA不斷被轉(zhuǎn)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(jìn)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(shù)。

科學(xué)家其實一直在發(fā)現(xiàn)新的Cas酶。布羅德研究所的團(tuán)隊對核酸酶Cpf1的特征進(jìn)行了研究。這種酶與其他Cas酶具有幾個關(guān)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(xué)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(xué)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(xué)變革的開端。對于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，科學(xué)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(jìn)所有這些系統(tǒng)的研究。要想把基因編輯技術(shù)應(yīng)用到人類疾病治療、農(nóng)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。(世聯(lián)博研(Bioexcellence)Bioon.com）