【走近诺奖】“基因魔剪”——CRISPR-Cas9
创意化学
一个有情怀的社团
10月7日，诺贝尔化学奖获奖名单公布，加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna教授和德国马普感染生物学研究所的Emmanuelle Charpentier因发明CRISPR-Cas9基因编辑工具而获得了这项荣誉。
2020年诺贝尔化学奖得主——Emmanuelle Charpentier与Jennifer A. Doudna
消息一出，关注此事的同学们便纷纷发圈：“这次诺贝尔化学奖又双叒叕被生物吞了！”
暂且不细究这化学奖有多“生物”，让我们来看看这项据说能为人类创造未来的CRISPR-Cas9技术究竟为何物。
CRISPR-Cas系统是原核生物的一种天然免疫系统，可为细菌构建获得性免疫——对噬菌体、外源质粒等“入侵者”的遗传物质产生相应的“记忆”，从而在它们再次入侵时展开强烈的抵抗。顾名思义，这个系统由两部分组成——CRISPR基因座和Cas基因。根据Cas基因的不同，可以将CRISPR-Cas系统分为两大类，而这次获奖的CRISPR-Cas9系统就是其中最主要的一类。
作为免疫系统，CRISPR-Cas9抵抗病毒入侵的全过程就像是一场完美的“复仇计划”，定能让你感叹生物构思之精妙。
CRISPR-Cas9系统的工作机制
某些细菌被病毒入侵时，会将病毒的一小段DNA片段插入到自己的CRISPR基因序列中；类似于将该病毒的“个人特征”录入在自己的数据库中，从而在病毒再次入侵时其能迅速识别并作出反应。
如上图所示，间隔区内储存的就是病毒的DNA，而重复序列区就类似于隔板，将不同的DNA片段分隔开来。
在得到DNA后，CRISPR在其前导区的调控下转录产生大型的RNA分子pre-crRNA，pre-crRNA与同时由重复序列区转录而成的具有发卡结构的tracrRNA结合，“激活”其控制作用。这个RNA复合体再和Cas9基因编码的蛋白质组装成一种复合体，这一复合体就是用来攻击病毒的武器。它类似于一个导弹，可以对再次入侵的同种病毒进行“点对点消灭”，从而起到免疫作用。而在整个过程中，最关键也最具有先进性的发现就在于——Cas蛋白可以同时受病毒DNA转录出来的pre-crRNA和与之配对的tracrRNA的操控，从而实现三者的组装，准确寻找和迅速破坏再次入侵的病毒的遗传物质。
CRISPR-Cas9系统工作机制示意图
CRISPR-Cas9系统的用处
CRISPR-Cas9之所以被称为“基因魔剪”,正是因为其切割之准确和迅速。早在2012年， Charpentier和Doudna就纯化了Cas9蛋白，并证明了可在体外利用CRISPR-Cas9系统对任意DNA链进行切割，从而起到编辑基因的作用。故可以利用该系统对动植物的基因进行目标性的编辑和加工，以达到治疗分子水平的疾病（特别是遗传病）、生产高品质的动植物产品的目的。
比如，伦敦帝国理工学院的进化生物学家Austin Burt及其研究团队利用该技术培育出了一种携带疟疾的雌蚊子，向普通蚊群引入这种蚊子可以迅速消灭整个种群；世界各地的研究人员正在将CRISPR-Cas9应用于设计抗虫害和抗病作物，以及更健康、更有营养的作物品种。CRISPR-Cas9的发现与掌握，使人类对基因技术的掌握迈向新的台阶，人类也进入控制生命的新阶段。
图为美国冷泉港实验室一研究团队利用CRSIPR-Cas9技术培育的比一般品种早两周开花结果的番茄品种
图源：Nat Genet 49, 162–168 (2017)
然而，CRISPR-Cas9系统也并非完美。厄瓜多尔Ychay科技大学的研究者曾报道过在纠正致病突变中引起二次突变的情况：在某次试验中，接受CRISPR-Cas9视力恢复治疗的失明小鼠，突变率有明显提高。
因此，要想利用CRISPR-Cas9系统进行准确、安全的治疗，还有诸多有待完善之处。而相关的研究也必将在未来继续深入。
CRISPR-Cas9
古·今·来
早在人类出现之前，古细菌胞内的CRISPR-Cas系统就已经在自然界无言地运转了数十亿年，远比人类历史更接近地球的寿命。而今，“年轻”的人类让这套藏在细菌里的免疫机制展现出新的生命。
“近期很少有一个发现能够像CRISPR在生物领域一样，改变整个领域的研究。它在人类健康与疾病等方面有极大的应用潜力。”2018年8月，美国阿尔伯尼生物医学奖委员会主席Vincent Verdile博士曾如此评价道。
而CRISPR-Cas9技术之强大，更加迫使研究者以及各界人士以严肃的态度对待它。目前，技术本身的“脱靶效应”，以及衍生的伦理等其他领域中 更加深远的问题，都是学界探究和争论的焦点所在。人类的未来将往何方，将一定程度上取决于 如何把握这项威力难以估量的技术。
人类出于生物其类，拔乎地球之萃，或许正是在于这样从发现、改造，到成熟应用的历程。而使得其出类拔萃之为可能——我想，巨大的奥秘，正是在于分子的世界之中。
参考资料：
[1]Simón, J., Rodríguez, Santiago Vispo, N. CRISPR-Cas9: A Precise Approach to Genome Engineering[J]. Therapeutic Innovation & Regulatory Science, 2018,52(6): 701-707.
[2]CRISPR-Cas9基因编辑技术简介 - 一林黄叶的文章 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/137760447
[3]专家解读丨Science发文展望CRISPR-Cas技术未来的应用前景 - BioArt生物艺术的文章 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/65164396
图文：贺卓芳 小编：贺卓芳
责编：肖楠天