據(jù)國外媒體報道，在不到 5 年時間里，基因編輯技術(shù) CRISPR 已經(jīng)使現(xiàn)代生物學的面貌和發(fā)展節(jié)奏發(fā)生了革命性改變。這種技術(shù)在能夠發(fā)現(xiàn)、去除并取代遺傳物質(zhì)，自 2012 年首次報道至今，科學家已經(jīng)發(fā)表了超過 5000 篇涉及該技術(shù)的論文。生物化學研究者擁抱這項技術(shù)，希望用其創(chuàng)造出更好的疾病模型。無數(shù)公司已經(jīng)將這項技術(shù)投入到新型藥物、療法、食品、化合物和新材料的研發(fā)之中，試圖獲取新的商業(yè)利益。
通常情況下，當我們提到 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序列叢集 / 常間回文重復序列叢集關(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，請做好準備，因為“基因編輯 2.0”就在眼前！
突飛猛進
有針對性的切割操作是 CRISPR 技術(shù)的標志性特征。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，也會帶來某種風險。細胞在修復這種劇烈的基因損傷時可能會出現(xiàn)錯誤。這也是科學家希望設計出更安全的方法，以達到同樣目的的原因。
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信號）。這種“表觀遺傳學編輯”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致的功能障礙問題。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)不良癥等嚴重疾病進行治療。
哈佛大學和布羅德研究所的科學家甚至已經(jīng)對 CRISPR 系統(tǒng)進行了更大膽的改進：對單個堿基對進行編輯。為了實現(xiàn)這一目的，他們必須設計出一種全新的、在自然界中不存在的酶，能夠從化學上將配對的腺嘌呤（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。哈佛大學化學家戴維·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。“我不希望公眾對此有錯誤的理解，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，也意味著很多責任。的問題在于，這個時代能達到的能力有多大？以及我們?nèi)绾文鼙M可能快地用這些技術(shù)來造福社會？”
如何控制風險？
CRISPR/Cas 系統(tǒng)是存在于多數(shù)細菌和絕大多數(shù)古菌中的一種后天免疫機制，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——尤其是在臨床應用上。CRISPR 在細胞里存留的時間越長，它把某些片段當作目標基因并進行切割的風險就越大。
為了程度地降低這些偏離目標的問題，科學家一直在開發(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，科學家只了解其中少數(shù)幾種蛋白質(zhì)的工作機制。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，加州大學伯克利分校、加州大學舊金山分校、哈佛大學、布羅德研究所和多倫多大學都在努力研究利用這些天然關(guān)閉機制的方法，使它們成為可編碼的控制工具。
除了醫(yī)學上的應用，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?；蝌?qū)動最早在 2003 年由倫敦帝國理工學院演化遺傳學家奧斯汀·伯特（Austin Burt）提出，指一種能將特定性狀快速擴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程，將非常有利于人類應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致瘧疾的蚊子，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)動設計，其中就包括抗 CRISPR“關(guān)閉開關(guān)”。
Cas酶的進展
盡管幾十年來基因技術(shù)突飛猛進，但還是有很多科學家不理解為什么 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入細胞，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）團隊尋找以 RNA 為目標的 Cas 酶的原因。
由于細胞在組裝蛋白質(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)。
科學家其實一直在發(fā)現(xiàn)新的 Cas 酶。布羅德研究所的團隊對核酸酶 Cpf1 的特征進行了研究。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)是不是的基因編輯工具，抑或只是一場科學變革的開端。對于不同的應用領(lǐng)域，科學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，或許只有同時推進所有這些系統(tǒng)的研究。要想把基因編輯技術(shù)應用到人類疾病治療、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。
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