蔡立英/編譯

CRISPR基因編輯技術(shù)因何受關(guān)注

蔡立英/編譯

●2007年，一家酸奶公司發(fā)現(xiàn)了一種出人意料的細菌防御病毒入侵的機制，CRISPR由此孕育并于2012年真正問世。如今，CRISPR已經(jīng)成為一個分子奇跡，不只是生物學(xué)家，全世界很多人都在關(guān)注榮登《科學(xué)》雜志2015年度科學(xué)突破榜首的CRISPR基因編輯技術(shù)。

CRISPR此前曾在2012年和2013年兩度入選《科學(xué)》雜志年度十大科學(xué)突破榜單，不過每次都與其他基因編輯技術(shù)一起打包當選亞軍，而今年CRISPR從中脫穎而出，顯示出它在一系列驚人成就中的真正威力。有兩個顯著的例子：一個例子是打造科學(xué)家探求已久的“基因驅(qū)動”系統(tǒng)，能消滅害蟲或蟲媒疾病，另一個例子是首次成功修改人類胚胎的DNA，該成果榮登各大新聞頭條，引起國際社會普遍關(guān)注。上述每一項研究進展都攪亂了科學(xué)政策。修改人類胚胎DNA的研究成果（由中國科學(xué)家用醫(yī)院廢棄的不能存活的胚胎完成），甚至推動了2015年12月一個研討人類基因編輯倫理問題的國際峰會的召開。該國際峰會面臨一個令人擔(dān)憂的前景：改變?nèi)祟惖木?、卵子或早期胚胎，以修正致病基因或增進健康。正如峰會討論中一位遺傳學(xué)顧問打趣道：“當我們做不到修改人類基因的時候，我們可以很容易地說我們不應(yīng)該這么做?！?/p>

到底是什么讓CRISPR與眾不同？其競爭對手——稱為鋅指核酸酶和TALENs（轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶）的定制蛋白質(zhì)，同樣可以精確改變選中的DNA序列，而且已經(jīng)有一些公司利用這兩種基因組編輯技術(shù)在臨床試驗中用于治療目的。但是實踐證明，CRISPR更容易、更便宜。推動鋅指核酸酶基因組編輯技術(shù)發(fā)展的先鋒、美國鹽湖城猶他大學(xué)的達娜·卡羅爾（Dana Carroll）說，CRISPR帶來了“基因打靶的民主化”。美國斯坦福大學(xué)的生物倫理學(xué)家漢克·格里利（Hank Greely）把CRISPR比作福特T型車：雖然并非第一輛汽車，但是因其生產(chǎn)的簡易性、功能的可靠性和價格的低廉性而帶來了社會變革，這個比喻被最近一期的《紐約客》雜志引用。“任何想做CRISPR的分子生物學(xué)實驗室都能做到。”哈佛大學(xué)的喬治·丘奇（George Church）說，他的實驗室是世界上最先高效地編輯人類和其他真核細胞的實驗室之一。

非盈利組織Addgene已經(jīng)分發(fā)了大約5萬個質(zhì)粒（環(huán)狀DNA分子），這些質(zhì)粒包含了CRISPR兩個基本組件的遺傳密碼，一個是用來靶向特定的DNA序列的“向?qū)NA”，另一個是DNA切割酶，或叫核酸酶，CRISPR用的通常是稱為Cas9的核酸酶?！八鼘⑾馪CR（聚合酶鏈式反應(yīng)）一樣，成為基因工程工具箱中的一種強大工具。”美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）說，她的團隊與現(xiàn)在柏林馬克斯普朗克傳染病生物學(xué)研究所工作的伊曼紐爾·查朋特（Emmanuelle Charpentier）領(lǐng)導(dǎo)的團隊合作，發(fā)表了CRISPR能切除特定靶DNA的第一篇論文。

他們的研究工作得出一個令人吃驚的觀察結(jié)果，即細菌能記住病毒。為了尋找一種機制來解釋這個現(xiàn)象，研究人員找到了從過去感染中殘留下來的病毒基因，夾在奇怪的重復(fù)的細菌DNA序列之間，形成所謂的“成簇規(guī)則間隔的短回文重復(fù)序列”，CRISPR由此得名。病毒的基因碎片起到了感染記憶庫的作用：細菌可從中創(chuàng)造出向?qū)NAs，定向?qū)ふ业皆俅稳肭值牟《綝NA，然后用核酸酶敲除這些病毒基因。一旦理解了這一基因編輯機制，杜德納和查朋特等人就競相使CRISPR技術(shù)適用于高等生物的DNA編輯。

一股應(yīng)用CRISPR技術(shù)的狂流隨之而來，其中的一個應(yīng)用——用CRISPR技術(shù)打造的“基因驅(qū)動”系統(tǒng)，是表明基因組編輯技術(shù)的威力和潛在風(fēng)險的一個案例。2003年，倫敦帝國理工學(xué)院的進化生物學(xué)家奧斯汀·伯特（Austin Burt）預(yù)見了把人們期望的一個特性的基因添加到能從染色體的一個位點自我復(fù)制到另一個位點的“自私的”DNA分子中。攜帶這一特性的家長的孩子將傾向于得到遺傳，從而使這一特性在人群中快速擴散。2015年早些時候，一個美國研究團隊就讓CRISPR技術(shù)適用于這個目的，獲得了比奧斯汀·伯特最先預(yù)見的更大的成功。

在一個預(yù)示性的被稱為“突變鏈式反應(yīng)”的方法中，美國研究人員把色素沉積特性驅(qū)動到實驗室培養(yǎng)的果蠅中，遺傳給下一代的有效性是97%。后來，他們與另一個研究團隊合作，打造了一個基因驅(qū)動系統(tǒng)，利用這種系統(tǒng)在實驗室培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因蚊子群體中擴散抗瘧原蟲的基因。數(shù)周后，伯特及其同事對另一種攜帶瘧疾的蚊子進行實驗，報告了相同的研究結(jié)果，即通過基因驅(qū)動，使得導(dǎo)致雌性不育的基因在轉(zhuǎn)基因蚊子群體中擴散，從而迅速消滅了該種群?，F(xiàn)在，圍繞把這些經(jīng)過基因驅(qū)動的昆蟲釋放到野生環(huán)境中帶來的好處和生態(tài)學(xué)風(fēng)險，以及基因驅(qū)動是否也能阻止亞洲鯉魚和甘蔗蟾蜍等入侵物種，或是抗擊導(dǎo)致萊姆病的病原體等其他動物病原體，大家展開了激烈爭論。

在其他實驗室，研究人員利用CRISPR技術(shù)創(chuàng)造了數(shù)量越來越多的轉(zhuǎn)基因動物和植物：肌肉發(fā)達的獵犬、抗多種病毒的豬和抗真菌小麥。還有保鮮更久的西紅柿、沒有過敏原的落花生和可作為清潔生物燃料的白楊，都在研制之中。CRISPR技術(shù)能干凈利落地完成基因編輯而不留下任何外來DNA，不像早期用于轉(zhuǎn)基因生物的技術(shù)存在外來DNA殘留，其如何被使用對轉(zhuǎn)基因生物管理提出了挑戰(zhàn)。

CRISPR技術(shù)還有很多很多應(yīng)用。通過研制Cas9的滅活版本，科學(xué)家們消除了CRISPR系統(tǒng)的DNA切割能力，但保留了它找到靶DNA序列的本領(lǐng)。把分子添加到Cas9上，CRISPR系統(tǒng)突然變成了一個多功能的精確的運載工具。例如，已經(jīng)有若干個研究團隊給滅活的Cas9配備各種調(diào)節(jié)因子，使得它們幾乎能激活或抑制任何一個基因或輕微改變基因的活性水平。在2015年的一個實驗中，由另一位CRISPR技術(shù)的先鋒——美國馬薩諸塞州劍橋布羅德研究所的張峰領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，靶向了大約兩萬個已知人類基因，在基因組中逐一激活每個基因，以確定哪些基因?qū)σ环N黑色素瘤藥物產(chǎn)生抗藥性。

CRISPR技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值正剛剛開始顯現(xiàn)。臨床研究者已經(jīng)將其應(yīng)用到研制基于組織的治療癌癥和其他疾病的療法。CRISPR技術(shù)也可能讓奄奄一息的動物器官移植到人的概念復(fù)活。很多人害怕潛伏在動物基因組內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄病毒會損害器官移植接受者，但是有一個研究團隊利用CRISPR技術(shù)一次性敲除雜亂散布在豬基因組中的一個逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA的62個拷貝。如果社會膽敢跨過很多人認為的倫理禁區(qū)去改變?nèi)祟惿诚担敲磳τ贑RISPR技術(shù)用于修復(fù)人類胚胎基因缺陷的前景，科學(xué)家們在基因編輯國際峰會上展開了很多討論。

簡而言之，現(xiàn)在只要科學(xué)家能想象出一種基因操縱，CRISPR就能讓你夢想成真，現(xiàn)在我們這么說也不算多夸張。在人類基因編輯國際峰會上，查朋特曾用“驚心動魄”一詞形容CRISPR的神通廣大。事實的確如此。不管結(jié)果好壞，我們現(xiàn)在都生活在CRISPR的世界里。

評選花絮

《科學(xué)》雜志網(wǎng)站訪問者在年度十大科學(xué)突破榜單上投票，得票前五位是：“新視野號”探測冥王星(35%)；CRISPR基因剪刀（20%）；淋巴系統(tǒng)延伸至中樞神經(jīng)系統(tǒng)（15%）；研制埃博拉疫苗（10%）；心理學(xué)研究可重復(fù)性/量子糾纏（6%）。

2015年是公眾通過網(wǎng)絡(luò)參與年度十大科學(xué)突破評選的第二年，最終的榜單則是由《科學(xué)》雜志“年度重大科學(xué)突破”欄目團隊敲定的。最終榜單在網(wǎng)民投票結(jié)果中排名也靠前，反映出《科學(xué)》雜志編輯團隊的深思熟慮。CRISPR很早就飆升到領(lǐng)先地位，因為引人注目的會議和雜志文章都把公眾注意力聚焦到基因組編輯技術(shù)上。當“新視野號”探測器在2015年7月近距離飛掠冥王星時，冥王星成為媒體寵兒，不過在年度突破榜單上還是落在第二名。

但是，隨著“新視野號”探測器的科學(xué)家們用他們的微博動員投票、發(fā)起Twitter閃電戰(zhàn)，這顆矮行星開始挽回頹勢。在決戰(zhàn)回合中，冥王星最終稱心如意地在網(wǎng)民票選中領(lǐng)先于CRISPR。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：彥隱]