基因編輯技術CRISPR-Cas9是如何改變世界的？

短短几年間，CRISPR-Cas9技術就席捲了整個生物製藥界，帶來了比以往任何時候都更加便捷的基因組編輯工具。那麼這個基因編輯工具到底是如何工作的呢？它如何幫助生物技術研究？當我們開始用它來編輯人類DNA時會發生什麼？研發者之間較量到底又是因為什麼？本文將對以上問題做出解答，並介紹這一技術可能帶來的收益和風險。

圖片來源於NPR新聞網

CRISPR-Cas9被稱為本世紀最大的生物技術發現之一。這一基因編輯工具革新了實驗室的生物技術，能夠幫助疾病研究和加速藥物發現。該技術還顯著影響了基於微生物的工業生產和糧食作物開發。但是真正讓它一舉成名的卻是將其應用於人類基因組的編輯。2016年，來自四川大學的中國科學家首次利用CRISPR基因編輯技術，針對晚期非小細胞肺癌患者開展了人體臨床試驗，標誌著CRISPR-Cas9技術從此開啟了人類基因編輯的新紀元。而在美國和歐洲，相關臨床試驗也即將展開。

什麼是CRISPR-Cas9？

CRISPR是「Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats」(規律成簇的間隔短迴文重複)的縮寫。這一叫法是90年代由西班牙科學家Francis Mojica首次提出的，他首先發現並深入研究了細菌和古生菌DNA中一連串作為原始免疫系統基礎的重複序列，能夠幫助細菌用來「記錄」病毒入侵者的DNA。Cas9是一種蛋白質，可以識別在CRISPR中存儲的特殊序列，並通過序列匹配剪切所有的DNA。

雖然CRISPR-Cas9在90年代就被發現，但直到2012年才發表了來自加州大學伯克利分校的兩位科學家，JenniferDoudna和Emmanuelle Charpentier的相關研究成果，這篇文章介紹了當CRISPR-Cas9這一體系從細菌中取出，再引入那些組成更複雜動植物的真核細胞時發生了什麼。「當你切斷細菌的DNA時，你就會殺死它。但在真核生物中，當你剪切DNA時，你會激活一種修復機制，從而開啟了重寫DNA的可能」。Mojica說，「Jennifer和Emmanuelle在體外開展了相關研究，效果很好」。

就在幾個月後，來自Broad研究所的張鋒和George Church的兩篇論文也報道了CRISPR作為一種基因編輯工具的早期使用，這也導致了張鋒團隊和Doudna-Charpentier團隊之間的專利爭奪。

我們需要知道的是，CRISPR並不是第一個允許我們在各種生物體中編輯DNA的技術工具。其他廣泛使用的技術包括TALEN和zinc-finger nucleases (ZFNs)等。事實上，一些專家指出，這些工具其實有足夠的時間變得更加完美，也會比CRISPR-Cas9更準確。

CRISPR-Cas9的原理介紹(圖片來自參考文章)

但是CRISPR比其他技術有一個重要的優勢，即它使用起來更加容易，也更快。以前的大多數技術都需要從頭開始創建分子，以便在特定的DNA序列中做出改變。在CRISPR中，同樣的Cas9分子可以通過簡單合成，提供一個嚮導RNA(guide RNA)分子來靶向到任何序列。像Synthego這樣的公司已經發現了這是一個很好的商機，它們為研究人員合成商品化產品供其使用。

CRISPR-Cas9能做什麼？

從理論上講，CRISPR可以用來修改幾乎所有生物的DNA，以適應各種不同的應用。在生物技術和製藥公司，CRISPR正在成為藥物發現的常用工具。在實驗室里，基因編輯工具已經非常流行，並被許多人用來修改從細菌、蠕蟲到老鼠、豬、甚至猴子等種屬的基因組。這對於我們研究任何感興趣的基因功能都是非常有價值的，無論是引起疾病的基因，還是能夠提高作物產量的基因，或是那些在惡劣條件下都能生存的基因。值得注意的是，像農作物經過CRISPR-Cas9改造並不等同於傳統的轉基因技術，因為這一技術並不引入外來的物種基因，而是通過經典育種技術再配合一些DNA的精確調整，方便得多。

將CRISPR用於人類治療有兩種主要方法。第一種方法叫做體外基因編輯，其步驟包括提取人體細胞，在實驗室進行改造，並將它們重新注回患者體內。這種方法類似於已經在市場上使用的大多數基因療法，並且它允許更多的控制參與過程。然而，如果每個病人都需要個體化的製造過程來完成治療，相關療法的價格將會非常昂貴。

體外基因編輯技術(圖片來自參考文章)

第二種方法就是體內基因編輯，是利用載體將CRISPR-Cas9送到患者體內，直接從細胞內編輯DNA。CRISPR可以通過納米粒子等載體完成傳遞或編碼成DNA，一旦完成任務，就可以被清除出體外。

人類DNA編輯，安全性？倫理性？

安全性和倫理性，這兩個都是目前人們遇到的最大問題。儘管每個人都在談論CRISPR的技術和投資，但還沒有人體的臨床試驗安全結果——儘管很快就會有了。最近的一項研究指出，由於Cas9蛋白天然存在於能夠感染人類的細菌中，我們中的許多人自身免疫系統早已經準備好來攻擊它了。這種免疫應激不僅會使治療無效，而且還可能引起嚴重的副作用。科學家們擔心重蹈像基因療法在90年代那樣的覆轍，當時基因治療的副作用導致了18歲的Jesse Gelsinger不幸死亡，讓整個基因療法發展推後數年。

即使CRISPR被證明在人類中是安全的，編輯人類的基因組又是否合乎倫理呢？這項技術目前的應用旨在治療遺傳性疾病，看起來還是簡單明了的。但是如果我們想給這一技術設置一條紅線，這條線應該畫在哪裡，以避免其成為那些違反倫理學，比如優生的技術工具呢？

儘管以目前的發展，距離想要應用CRISPR做到自由編輯人類不同基因還為時尚早，但是未雨綢繆，現在已經是時候開始考慮如何管理這一技術了。在哪些情況允許或禁止使用該技術？至少包括Doudna在內的許多科學家都同意，應該將諸如生殖基因的編輯(germlineediting)排除在外。

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