編輯“生命天書”的魔剪

文/陳咨余【【科協(xié)身邊事】基因組編輯技術(shù)，或能實(shí)現(xiàn)動(dòng)物器官移植、根除瘧疾和根治疑難雜癥】http://toutiao.com/group/6508239259139310083/?iid=15906422033&app=explore_article&timestamp=1519660054&tt_from=copy_link&utm_source=copy_link&utm_medium=toutiao_ios&utm_campaign=client_share 

     （識(shí)別入侵的任務(wù)由宿主細(xì)胞或細(xì)菌DNA中CRISPR序列上游的Cas序列轉(zhuǎn)錄出的Cas蛋白進(jìn)行來(lái)抵抗噬菌體或者外源質(zhì)粒的再次入侵）

CRISPR/Cas技術(shù)

從孟德爾的豌豆實(shí)驗(yàn)催生了遺傳學(xué)的兩大定律，到摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)揭示了基因是組成染色體的遺傳單位，再到沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu),近200年來(lái)，人類不僅逐漸認(rèn)識(shí)到遺傳因子“基因”的存在以及其控制生物性狀的作用，更在努力解答腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶的排列組合是如何決定人與人、人與其他物種之間的不同。三個(gè)基本的問(wèn)題縈繞在每個(gè)生物學(xué)家的腦海里：每個(gè)基因是做什么的?我們?nèi)绾握业街虏〉幕蛲蛔?我們?cè)撊绾翁幚磉@些突變的基因？

對(duì)基因進(jìn)行編輯

1990年至2003年，美、英、法、德、日、中六國(guó)科學(xué)家共同實(shí)施了“人類基因組計(jì)劃”，推動(dòng)了基因測(cè)序技術(shù)發(fā)展。這是基因革命的第一個(gè)浪潮，人類自此掌握了閱讀“生命天書”的能力。而讓人們真正擁有了編寫“生命天書”的能力的是基因革命的第二個(gè)浪潮——“基因組編輯”。

所謂基因編輯技術(shù)，是指對(duì)DNA核苷酸序列進(jìn)行刪除和插入等操作。換句話說(shuō)，基因編輯技術(shù)使得我們可以依靠自己的意愿改寫DNA，從而改變生物性狀。早在20世紀(jì)90年代，第一代基因編輯技術(shù)就出現(xiàn)了。然而，利用TALENs （轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)核酸酶）與ZFN（鋅指結(jié)構(gòu)域核酸酶）這兩種基因編輯技術(shù)做基因敲除，不僅在技術(shù)上難操作，在經(jīng)濟(jì)、時(shí)間、精力的花費(fèi)都非常大。高門檻、低準(zhǔn)確性等缺點(diǎn)一直困擾著研究基因工程的學(xué)者。因此，能夠方便而精確地對(duì)DNA和核苷酸序列進(jìn)行編輯，是科研工作者們長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想。

伴隨著CRISPR/Cas技術(shù)的誕生和成熟，基因的修剪改造變得“平民化”。成本低、易上手、效率高等優(yōu)勢(shì)讓這項(xiàng)技術(shù)有了一個(gè)新的名字“編輯生命天書的一把魔剪”。這項(xiàng)不僅如風(fēng)暴般席卷全球，在科研領(lǐng)域掀起巨大波瀾，而且被譽(yù)為“本世紀(jì)最具創(chuàng)新力的創(chuàng)新技術(shù)”具體是怎么運(yùn)作的呢？

從細(xì)菌免疫系統(tǒng)到DNA編輯工具

CRISPR/Cas 系統(tǒng)由兩大部分組成：CRISPR序列和Cas基因。CRISPR序列全稱“成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列”。這個(gè)序列由眾多短而保守的重復(fù)序列區(qū)和間隔區(qū)組成。在這段序列的上游有一個(gè)多態(tài)性的家族基因，由該基因編碼的蛋白均可與CRISPR序列區(qū)域共同發(fā)生作用。因此，該基因被命名為CRISPR關(guān)聯(lián)基因（CRISPR associated），簡(jiǎn)稱Cas。 CRISPR/Cas系統(tǒng)在被廣泛運(yùn)用在基因編輯中以前其實(shí)是普通細(xì)菌識(shí)別并降解來(lái)自噬菌體的DNA，從而阻止噬菌體的感染和復(fù)制，防御噬菌體入侵的一種機(jī)制。同時(shí)，它也為細(xì)菌提供了獲得性免疫，來(lái)抵抗噬菌體或者外源質(zhì)粒的再次入侵。

當(dāng)噬菌體首次入侵宿主細(xì)菌時(shí)，它的DNA雙鏈被注入細(xì)胞內(nèi)部。每一條入侵者的DNA上都有一段原間隔序列，并且在它的旁邊有一段特定序列（原間隔序列臨近基序PAM ）像名字一樣能夠輕而易舉地識(shí)別這段原間隔序列。這個(gè)識(shí)別任務(wù)由細(xì)菌DNA中CRISPR序列上游的Cas序列轉(zhuǎn)錄出的Cas蛋白進(jìn)行。Cas蛋白在其他酶的協(xié)助下能夠把這段原間隔序列剪切下來(lái)，并插入細(xì)菌DNA中臨近CRISPR序列前導(dǎo)區(qū)的下游。細(xì)菌DNA會(huì)進(jìn)行修復(fù)，將打開的雙鏈缺口閉合，一段新的間隔序列就被添加到了基因組的CRISPR序列之中。不同的入侵者存在不同的原間隔序列，這樣一來(lái)細(xì)菌DNA的CRISPR序列中就會(huì)存在不同的間隔序列。

那當(dāng)噬菌體DNA再一次入侵細(xì)菌的時(shí)候又會(huì)發(fā)生什么呢？在第一次入侵的時(shí)候，各個(gè)入侵者的基本信息（間隔序列）都已經(jīng)被記錄在了細(xì)菌的黑名單（CRISPR序列）中。當(dāng)任意一個(gè)入侵者再次到來(lái)時(shí)，CRISPR序列會(huì)在“指揮官”（前導(dǎo)區(qū)）的調(diào)控下轉(zhuǎn)錄出大型RNA分子 (pre-crRNA)，CRISPR序列中的重復(fù)序列區(qū)會(huì)轉(zhuǎn)錄出發(fā)卡結(jié)構(gòu)的RNA（tracrRNA)來(lái)活化Cas蛋白。在Cas蛋白與核糖核酸酶（RNaseIII ）的幫助下，一整串有著各個(gè)入侵者信息的pre-crRNA被剪切出一段段針對(duì)不同入侵者的crRNA。這樣一來(lái)，它們能像定向?qū)椫苯訐粝蛳鄬?duì)應(yīng)的入侵者的DNA，并把它切斷，從而干掉入侵者。

▲自然界細(xì)菌利用CRISPR/Cas系統(tǒng)進(jìn)行免疫反應(yīng)

雖然在20世紀(jì)末科學(xué)家就已經(jīng)意識(shí)到了原核細(xì)菌中的CRISPR序列，但是直到21世紀(jì)初，微生物這一特殊的免疫系統(tǒng)才被科學(xué)家加以利用，成為生物醫(yī)學(xué)史上第一種可高效、精確、程序化地修改細(xì)胞基因組，包括人類基因組的工具。

自然界中CRISPR/Cas系統(tǒng)極為多樣，目前在DNA編輯中被廣為運(yùn)用的是由最簡(jiǎn)單的type II CRISPR改造而來(lái)的CRISPR/Cas 9系統(tǒng)?？茖W(xué)家將編碼有核酸內(nèi)切酶活性的Cas9蛋白的序列及其附屬元件共同制造成為一個(gè)單一的載體。同時(shí)還加入了入核信號(hào)元件讓這些組分可以進(jìn)入真核細(xì)胞的細(xì)胞核。這樣一來(lái)，只要科研人員針對(duì)需要編輯的DNA序列合成一段DNA序列，插入這個(gè)載體的特定部位。在轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞后，這段基因產(chǎn)生的人工構(gòu)建的向?qū)NA（gRNA）就像細(xì)菌內(nèi)的tracrRNA 和crRNA 的復(fù)合體，能指導(dǎo)Cas9蛋白切割宿主細(xì)胞特定的DNA序列，從而起到基因編輯的作用。更通俗點(diǎn)來(lái)講，傳遞基因組信息的“向?qū)А盧NA，領(lǐng)著切割 DNA 的“剪刀”剪接酶在茫茫的基因中搜尋，直至發(fā)現(xiàn)特定的核苷酸序列，然后將自己貼合上去。一旦剪接酶鎖定了匹配的DNA序列，它就能剪切和粘貼核苷酸，如同word里查找替換功能一樣精確。

▲CRISPR/Cas 系統(tǒng)的科研歷史

改變?nèi)祟愇磥?lái)的“魔剪”

近些年來(lái)，科學(xué)家不斷利用CRISPR/Cas系統(tǒng)取得驚人成就。 那這項(xiàng)日新月異的技術(shù)在未來(lái)還有哪些振奮人心的前景呢？

從這款大飛機(jī)的命名來(lái)看，第一個(gè)字母“C”是英文“China”的首字母，也是商用飛機(jī)英文縮寫COMAC的首字母，第一個(gè)“9”的寓意是天長(zhǎng)地久，“19”代表的是中國(guó)首型大型客機(jī)最大載客量為190座。C919大型客機(jī)是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的標(biāo)志性工程，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，被寄予厚望。

1

利用動(dòng)物為人類提供器官移植源

人類移植器官的短缺一直是器官移植的瓶頸問(wèn)題，醫(yī)學(xué)家便把目光轉(zhuǎn)向了同為哺乳動(dòng)物的豬類。然而，用豬培育可供移植的器官最大的技術(shù)障礙之一在于豬體內(nèi)存在一些有害基因。這些基因可能給人類帶來(lái)新的疾病，并且在移植初期會(huì)攻擊人體的免疫系統(tǒng)使之造成排斥反應(yīng)。中國(guó)學(xué)者楊璐菡所在的哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas 系統(tǒng)敲除了豬基因組中的62個(gè)病毒基因，掃清了豬器官用于人體移植的重大難關(guān)，為全世界需要器官移植的上百萬(wàn)病人帶來(lái)希望。

▲利用CRISPR敲除豬體內(nèi)致病基因使異體器官移植變?yōu)榭赡?/p>

2

打造基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

“基因驅(qū)動(dòng)”最早由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院進(jìn)化遺傳學(xué)家Austin Burt提出，是一個(gè)能夠快速將特定性狀擴(kuò)散到群體中去的系統(tǒng)。2015年11月，加州大學(xué)的分子生物學(xué)家Anthony James宣布通過(guò)利用基于CRISPR/Cas9基礎(chǔ)的基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)研制出一種攜帶抗瘧疾基因并能將該基因近乎100%的傳給后代的轉(zhuǎn)基因蚊子，從根源上有效阻止瘧疾的傳播。這意味著，在不久的將來(lái)，我們或?qū)⒛軌蚋懠?、登革熱等蟲媒疾病，同時(shí)消滅或控制入侵物種。

▲利用CRISPR的基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因蚊子來(lái)徹底根絕瘧疾

3

根治疑難雜癥

基因治療是指通過(guò)操作遺傳物質(zhì)（無(wú)論是人類本身的或外源的）來(lái)干預(yù)疾病的發(fā)生、發(fā)展和進(jìn)程，包括替代或糾正人自身基因結(jié)構(gòu)或功能上的錯(cuò)亂、殺滅病變的細(xì)胞或增強(qiáng)機(jī)體清除病變細(xì)胞的能力等。利用CRISPR/Cas系統(tǒng)指哪打哪的特征，我們可以破壞特定基因，觀察結(jié)果，以此解開基因各司何職的奧秘，找出癌癥細(xì)胞的阿喀琉斯之踵。并且通過(guò)采用CRISPR技術(shù)，鎖定諸如HIV、肝炎和人乳頭狀瘤病毒，并摧毀這些頑固的DNA病毒。雖然目前已經(jīng)在體外實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)，但離實(shí)際應(yīng)用還是任重道遠(yuǎn)。

基因編輯技術(shù)可能開啟一個(gè)現(xiàn)在無(wú)法想象的全新世界，最典型也是最受質(zhì)疑的就是關(guān)于創(chuàng)造生命或創(chuàng)造人類的問(wèn)題。2015年底，中美英等多國(guó)科學(xué)家和倫理學(xué)家在華盛頓舉行“人類基因編輯國(guó)際峰會(huì)”。會(huì)后聲明劃出的紅線是禁止出于生殖目的而使用基因編輯技術(shù)改變?nèi)祟惻咛セ蛏臣?xì)胞?；蚣舻都夹g(shù)讓科學(xué)家們操縱基因的夢(mèng)想得到實(shí)現(xiàn)，它的能力令人極其興奮。這項(xiàng)“本世紀(jì)最具創(chuàng)新力的創(chuàng)新技術(shù)”，這把編輯生命天書的“魔剪”的未來(lái)如何，讓我們拭目以待。