导读
据国外媒体报道，在不到5年时间里，基因编辑技术CRISPR已经使现代生物学的面貌和发展节奏发生了革命性改变。这种技术在能够发现、去除并取代遗传物质，自2012年首次报道至今，科学家已经发表了超过5000篇涉及该技术的∑论文。生物化学研究者拥抱这项技术，希望用其创造出更好的疾病模型。无数公司已经将这项技术投入到新型药物、疗法、食品、化合物和新材料的研发『之中，试图获取新的商业利益。
通常情▼况下，当我们提△到CRISPR时，实际指的是CRISPR/Cas系统——由一小段RNA和一种高效的DNA切割酶(即核酸酶)组成，全名为常间回文重复序列丛集/常间回文重复序列丛集关联蛋白系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)。它对于生物学的意义，就好比福特T型车对于制造业和交通运输业的意义。现在，CRISPR已经〖用于人类癌症的治疗，而最快到2018年时，该技术还将●用在遗传性疾病，如镰刀型红血球疾病和乙型地中海贫血症等的临床试︾验中。
然而，与卐当初的福特T型车一样，经典的CRISPR技术已经变得有点粗苯、不可靠，甚至有●点危险。它无法与基因组的任意部位结合，有时候还会切割错误的位置。而且，它没有关闭♀按钮。如果说福特T型车很容易过热，那经典CRISPR可以说∏是很容易“吃多”。
即】使有着这样那样的局限性，但经典CRISPR系统在2018年及以后的日子里，依然将是生物々学中非常重要的工具。不过，就在2017年，更新、更快的基因编辑工具开始推出，或许很快就会让第一代技术黯然失色。因此，如果你有志于在这一领域大展身手的话，请做好准备，因为“基因编辑2.0”就在眼前!
有☆针对性的切割操作是CRISPR技术的标志性特征。但是，在Cas9内切核酸酶切◤割一个生物体的两股DNA链的同时，也会带【来某种风险。 有针对性的切割操作是◥CRISPR技术的标志性特征。但是，在Cas9内切核酸酶切割一个生ぷ物体的两股DNA链的同时，也会带来∏某种风险。
突飞猛进
有针对性的切割操作是CRISPR技术的标志性特征。但是，在Cas9内切核酸酶切割一个生物体的两股DNA链的同时，也会带↘来某种风险。细胞在修复这种剧烈的基因损伤时可能会出现错误。这也是科学家希望设计出更安全的方法，以达到同√样目的的原因↓。
一种方Ψ 法是使Cas9核酸酶突◥变，使其失去切割能力，但依然能结合DNA。接着，用其他蛋白质——比如能激活基因表达的蛋白质——与失去部分功能的Cas9核酸酶结合，在不改变DNA序列的情况◤下共同控制基因的开启和关闭(有时要用到光或化学信▃号)。这种“表观遗传≡学编辑”或许能用于治疗由多种遗传因素共同引起的疾病№，而经典CRISPR技↓术最适合的则是由单一突变导致的功能障碍↘问题。12月初，美国索尔克研究所的研究人员就在小鼠上尝试了这种新的方法，对包括糖尿病▆、急性肾病和肌肉营养不良症等严重疾病进行治疗。
哈佛大学和布罗德研究所的科学家甚至已【经对CRISPR系■统进行了更大胆的改进：对单个碱》基对进行编辑。为了实现这一目的，他们必须设计出一种全新的、在自然界中不存在的酶，能够从化学上将配对的腺嘌呤(A)-胸腺嘧啶(T)转变为鸟嘌呤(G)-胞嘧啶(C)。这一改变看似微小，却有着极为重大的意义。哈佛大学化学家戴〗维•刘(David Liu)主持了这项工作◢，他估计，在人体已知32000个致病性的点↑突变中，有大约一半可以通过这【样的单一位点变换而修复。“我不希望★公众对此有错误的理解，即我们能把任何人或任何动物，甚至培养皿里的细胞的任意DNA片段变换成□ 另一段DNA，”戴维•刘说，“不过，就我们现在所处的位置而言，也意味着很多责任。最大〖的问题在于，这个时代能达到的△能力有多大?以及我们如◇何能尽可能快地用这些技术来造福社ξ会?”
如何控制风险?
CRISPR/Cas系统是存在于多数细菌和绝大多数古菌中的一种后天免疫机制，其工作就是发现入侵的病毒DNA并将其消灭，直到这些DNA被清除干净。这一◎系统都是“加速器”，没有︽制动装置，因而具有潜在♂的危险性——尤其是在临床应用上。CRISPR在细胞∑ 里存留的时间越长，它把某些片段当作目标基因并进行切割的风险就越ζ 大。
为了最大程度地降低这些偏离目标的问题，科学家一直在开发新的工具，以更¤好地控制CRISPR。截至目前，研究者已经识别出21个自然出现的抗CRISPR(anti-CRISPR)蛋白质家族，即能够抑制基因编辑酶的蛋白⊙质分子。不过，科学家只了解其中少数几种蛋∩白质的工作『机制。有些蛋白质能直接与Cas9结合，阻止它连接到DNA上;另一些蛋白质则可以激活与Cas9竞争基因组位置的酶。目前，加州大学伯克利分校、加州大学旧金山分校、哈佛大学、布罗德研究所和多伦多大学都々在努力研究利用这些天然关闭机▅制的方法，使它们↘成为可编码的控制工具。
除了医学上的应用，这些蛋白质ㄨ家族还对“基因驱动”(gene drive)领域的持续发展有重要意义。基因驱动︽最早在2003年由伦敦帝国理工学院演化遗传学家奥斯汀•伯特(Austin Burt)提出，指一种能将特定性状快速扩散到种群中的基因编辑█技术。如果能以某种方式推动演化进程，将非常有利于人类应对从流行性疾病到气候变化等诸多问题。比如，我们可以用这种♀方法消灭那些导致疟疾的①蚊子，或者「清除有害的入侵物种。不过，在野外环境中，这些手段也有可能失去控制，甚至带来灾难性的后果。就在2017年，美国国防部下属的国防高级研究计划(DARPA)就投资了6500万美元，用于寻找更加安全的基因驱动设计，其中就包括抗CRISPR“关闭开关”。
Cas酶的进展
尽管※几十年来基因技术突飞猛进，但还是有很多科学≡家不理解为什么DNA中的某些缺陷会引发←疾病。即使我们知道哪些基因以什么顺序编码ぷ进入细胞，但想知道这些序列信息如何传递、如何翻译(或者不翻译)，就要困难得多。这也正是哈佛大学和布罗德研究所的张锋(CRISPR关联蛋白的发现者之一)团队←寻找以RNA为目标的Cas酶的原因。
由于细胞在组装蛋白质时读取的遗传信息来自RNA，因此〗它们携带着更多关于特殊疾病的基础遗传信息。而且，由于RNA不断※被转录和翻译，因此对RNA的修改有助于更好地治疗类似发炎或创伤等短期疾病。这一新系统被称为“REPAIR”，全称是“可编程的腺嘌呤到肌苷RNA编辑”(RNA Editing for Programmable A to I Replacement)，目前只能对单个核苷酸进行编辑。下一步，研究人员希望在其他11种可能的组合中尝试这一技术。
科学家其实一直在发¤现新的Cas酶。布罗德研究所的团队对↙核酸酶Cpf1的特征进〒行了研究。这种酶与其他Cas酶具有几个关键⌒ 差异，包括在切割DNA时会留下较№活跃的末端，而不是“钝”的末端。2017年2月，加州大学伯克利分校的研究小组发现了CasY和CasX，这是目前最简洁的CRISPR系统。未来几个月或几年里，科学家希望找到更多的酶，发现更多的可能性。
只有时间才能证明CRISPR-Cas9系统是不是最■好的基因编辑工具，抑或只是一场科学变革¤的开端。对于不同』的应用领域，科学家还需要大量的研究才能确定什么工具才最合适，目前能做的，或许只有同时推进所有这些系统的研究。要想把基因编辑技术应用到人类疾病治疗、农作物培育以及携病昆虫的防治上，可能还需ω要许多年的时间。
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