最近熱炒的基因組編輯技術CRISPR究竟是什麼？

2012年，一種叫做CRISPR的基因組定向編輯工具進入了人們的視野[1]。目前，此技術的成功應用包括：改變猴子[2]和老鼠[3]的DNA；從一個感染了HIV病毒的人類細胞中移除HIV病毒[4][5]；甚至改變人類胚胎里的基因[6]。除此之外，此技術在植物上，包括水稻、小麥以及模式作物擬南芥和本生煙中都已成功應用[7]。

而圍繞這一技術，很多有趣的爭論也在網上盛行。如：我們要復活猛獁象嗎？我們應該改造人類胚胎嗎？我們可以長生不老嗎？抑或，我們可以運用此技術將我們認為有害的生物從地球上消除么？很多人說，CRISPR將掀起一場生物變革。

那麼，這種聽起來全能的基因組編輯技術，到底是什麼？

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CRISPR技術最初來自於一個基礎研究，主要目的在於了解細菌如何對抗感染的病毒。當病毒感染細胞時，它們會把自身的DNA插入到該細胞中。而很多細菌在它們的細胞里存在一種叫CRISPR的適應性免疫系統，它可以使細菌檢測到病毒DNA並將其消滅掉，而在此過程中，病毒DNA中的一小段會保留到細菌自身的DNA中。這些成簇的病毒DNA會被插入到一個名為CRISPR的位點。

CRISPR的基因座其實上就是細胞的一張基因疫苗接種卡，可以使細胞逐漸記錄那些被感染到的病毒。而這些被記錄到的感染病毒，一旦其片段DNA被插入到細菌染色體內，細胞就會複製出一小段RNA分子，它就是病毒DNA的複製品。更重要的是，這些片段DNA會遺傳到細胞的後代中去，從而保護子代也不受病毒感染[8]。

CRISPR全名為：Clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats（規律成簇的間隔短迴文重複序列），最初於1987年在大腸桿菌中被發現[9]。從這個定義來看，CRISPR分為兩部分：Clustered regularlyinterspaced & short palindromic repeats。首先來看short palindromic repeats（短迴文重複序列）：說明它是較短的DNA片段，其次應具有迴文特性。簡單來說如下圖：雙鏈DNA左右兩條鏈鹼基序列相同而反向。

然後滿足重複特性，如下：

再看另一部分定義，Clustered regularlyinterspaced，也就是說規律性間隔，所以以上這些短迴文重複序列由spacer DNA（間隔序列，下圖中間的彩色部分）連接起來。有趣的是，這些spacer DNA並不相同，每個都是獨一無二的[10]。

隨後，科學家發現，在CRISPR系統里，還有一些基因與CRISPR聯繫，這些基因稱之為CRISPR- associated genes，即Cas genes。這些Cas基因是CRISPR免疫防禦途徑中的基本組成成分，往往與CRISPR位點的重複序列相連[11]。如下圖所示：

Cas genes CRISPR

而Cas基因編碼的Cas蛋白，扮演了DNA剪刀的角色。它在一個RNA分子（guide RNA）的指示下，與guide RNA組成一個整體，然後會在細胞的所有DNA里來回尋找，來找到符合其結合的RNA序列的位點。好比細胞的衛兵一樣在染色體上進行「巡邏」。

一旦找到入侵的DNA，這個綜合體就會嵌入其DNA雙螺旋結構（上圖的藍色部分）。此時Cas蛋白就像剪刀一樣，可以精準地切斷病毒DNA，從而使其DNA斷裂[8]。

而當一個植物或動物細胞在它的DNA中檢測到其雙股螺旋斷裂時，會迅速啟動「自我修復」機制來修復這種斷裂。

細胞內存在兩種修復機制，第一種是直接將斷裂的DNA尾端接合在一起。可是這種直接連接往往容易「出錯」，即有時候會多出或少出鹼基。所以此方法並不是理想的基因改造方式。第二種修復機制是藉由在該位置處聚集新的DNA片段來修復斷裂，即尋找一條相同的DNA來修復。比如人類基因，我們有一組染色體來自於父親，另一組染色體來自於母親。所以當其中一條DNA受損時，細胞可以用另外一條來修復。

而我們今天要講的CRISPR技術正是基於此原理。如果我們有一種方式可以精準地進入DNA並引導其「雙股螺旋斷裂」，如在發生突變的位置處或附近製造斷裂，那麼我們就可以刺激細胞來修復這種斷裂。

而在這裡我們可以利用其特性將其「掉包」：用一條在兩端上與原來相同，而中間卻不同的新DNA來修復。而中間不同的這部分，就是我們用來改變或刪除基因中某些信息的部分[12]。換言之，可以將基因組進行「人為編輯」。

通過了解Cas蛋白質的功能，利用其高度準確性的特點，我們可以用來辨認特定的DNA序列，並且在DNA的特定位置製造一個斷裂使其產生精確改變，來消除細胞中特定的DNA片段或者插入特定的DNA片段到細胞中。就跟我們使用文字處理軟體來修改文檔中的錯別字一樣，你可以取出整段基因，再加入一個進行替換，甚至可以編輯基因中的單個鹼基。此工具可以當做一種基因工程技術來使用，且幾乎適用於所有物種。

簡 言 之，

CRISPR是一種允許研究者可以快速、精準、簡單地修改基因組的工具。利用此技術，可以讓科學家通過改變細胞里的DNA，從而治癒由於基因突變引起的疾病。

基因工程並不是一個新概念，上世紀70年代就已經被提出且發展起來。如今，我們已經擁有了DNA測序、DNA複製甚至DNA修改技術。

基因工程的應用[13]

但是，這些技術普遍存在著效率不高或操作複雜的問題。

而CRISPR技術不僅價格便宜，而且操作簡單。有多便宜呢？價格可以較之前的幾千美元到如今的幾百美元，而時間上也從過去的幾周到現在的幾天。

如今，這項技術已經被用來實現一些非常精準的改變(如文章開始所示)，相信很快將會看到它在臨床上的應用。

但是，也有一個不得不思考的方面，這也是目前國際上普遍存在的一種擔憂：即CRISPR技術也能被用在強化性能上。想像一下我們可以嘗試設計製造人類，使其擁有更強壯的骨骼、更高的智力、或降低一些疾病的誘發幾率，甚至擁有某些我們期待已久的特徵。也就是所說的「訂製人」。

雖然目前為止，具備這些特徵的相關基因信息大部分仍然是未知的，但CRISPR技術為我們提供了一個很重要的可以改變現狀的工具。尤其當我們獲得了這些基因的信息後，這勢必會引發一系列我們必須仔細思考的道德問題。而我們能做的，除實事求是討論利弊外，還要能對我們做出的選擇負責[14]。

參考文獻

[1]Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable dual-RNA–guided DNAendonuclease in adaptive bacterial immunity[J]. Science, 2012, 337(6096):816-821.

[2] NiuY, Shen B, Cui Y, et al. Generation of gene-modified cynomolgus monkey viaCas9/RNA-mediated gene targeting in one-cell embryos[J]. Cell, 2014, 156(4):836-843.

[3] WangH, Yang H, Shivalila C S, et al. One-step generation of mice carrying mutationsin multiple genes by CRISPR/Cas-mediated genome engineering[J]. cell, 2013,153(4): 910-918.

[4] WangZ, Pan Q, Gendron P, et al. CRISPR/Cas9-derived mutations both inhibit HIV-1replication and accelerate viral escape[J]. Cell reports, 2016, 15(3): 481-489.

[5] WangG, Zhao N, Berkhout B, et al. CRISPR-Cas9 can inhibit HIV-1 replication butNHEJ repair facilitates virus escape[J]. Molecular Therapy, 2016.

[6] TangL, Zeng Y, Du H, et al. CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human zygotesusing Cas9 protein[J]. Molecular Genetics and Genomics, 2017: 1-9.

[7]ShanQ, Wang Y, Li J, et al. Targeted genome modification of crop plants using aCRISPR-Cas system[J]. Nature biotechnology, 2013, 31(8): 686-688.

[8] TEDtalk: How CRISPR lets us edit our DNA. By Jennifer Doudna

[9]Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, et al. Nucleotide sequence of the iap gene,responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli,and identification of the gene product[J]. Journal of bacteriology, 1987,169(12): 5429-5433.

[10] TEDtalk: What is CRISPR? By Bozeman Science

[11]Sorek R, Kunin V, Hugenholtz P. CRISPR—a widespread system that providesacquired resistance against phages in bacteria and archaea[J]. Nature ReviewsMicrobiology, 2008, 6(3): 181-186.

[12] TEDtalk: What you need to know about CRISPR.By Ellen Jorgensen

[13] HsuP D, Lander E S, Zhang F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genomeengineering[J]. Cell, 2014, 157(6): 1262-1278.

[14] TEDtalk:Gene editing can now change an entire species – forever。By JenniferKahn

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