一把神奇的魔剪，開啟了生物、農業和醫學的新篇章

為了想要在宏觀尺度上創造出新材料和新功能，而在原子和分子尺度上對物質加以理解和控制，是納米科學和納米技術的核心。 含有生物的生長和發育信息的雙螺旋分子——DNA，可被看作是一種終極的納米結構。在分子水平上操控DNA或許能為所有生物物種都帶來巨大的影響。

獲得2018年卡弗里納米科學獎（Kavli Prize in Nanoscience）的三位科學家，研發了一種能選擇性的剪切特定基因片段的工具，通常被稱為CRISPR-Cas9。這種基因編輯方式不僅能幫助我們理解基因是如何工作的，還在很多領域都具有實際應用：從治療癌症、到編輯胚胎中致病性的基因突變、再到革命性地改變食物生產、甚至復甦已滅絕的哺乳動物，CRISPR應用的廣泛程度是驚人的。很多人認為，CRISPR技術是這個世紀最大的突破之一。

Emmanuelle Charpentier、Jennifer A. Doudna 和 Virginijus ?ik?nys榮獲了2018年度的卡弗里納米科學獎，以表彰他們為基因編輯技術的發展所作出的傑出貢獻，從而開啟了生物、農業和醫學的新篇章。

CRISPR-Cas9基因編輯工具的研發是基於25年對細菌和古生菌DNA的研究。早在1987年，一組日本科學家發現大腸桿菌的DNA序列是由許多被間隔分開的相同片段組成的。這些重複的片段呈迴文式，也就是說無論從哪個方向觀察，它們的鹼基序列的讀取完全相同。出於這個原因，這些序列被稱為「常間迴文重複序列叢集（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）」，縮寫為CRISPR。

在隨後的幾年中，科學家在其他類型的原核系統中也觀察到了CRISPR序列。之後他們發現，這些間隔實際上是細胞用來檢測和消除病毒的病毒DNA拷貝。重要的是，科學家已經證明當細菌暴露於病毒環境時，間隔的數量會增加。換句話說，CRISPR序列為生物體提供了適應性免疫系統。

基因「魔剪」。| 圖片來源：Javier Zarracina

細胞使用CRISPR序列作為防禦機制的方式涉及到一種被稱為Cas（CRISPR-associated）的酶，它與作為CRISPR DNA的間隔之一的拷貝產生的RNA分子鏈相連。一旦具有特定DNA序列的病毒進入細胞，就會與RNA匹配，Cas酶就會使其失活。

截至到2012年，相關的研究已為CRISPR的運作方式提供了重要信息。在那一年，兩個獨立的研究小組展示了應該如何利用及控制CRISPR-Cas系統。更具體地說，是使用特定類型的Cas酶的版本——Cas9。

其中一支科研團隊是由伯克利的Jennifer Doudna和當時在瑞典于默奧的Emmanuelle Charpentier領導的，另一支研究團隊則由立陶宛維爾紐斯的Virginijus ?ik?nys所領導。這兩組科學家均報道了從細菌中分離出Cas9-RNA複合物，以及在體外證明Cas9可用於切出與RNA序列相匹配的外部雙鏈DNA序列片段（下圖）。實驗結果顯示Cas9酶可被有效地用作為一副納米剪刀，能選擇性地切出由RNA選擇的片段，從而進行基因修復、或修正基因中造成遺傳疾病的突變。

CRISPR-Cas9系統的示意圖。 Cas9酶（橙）在由RNA（紅）選擇的位置上剪切DNA（藍）。| 圖片來源：CARLOS CLARIVAN / SCIENCE PHOTO LIBRARY / NTB Scanpix

一般來說，一旦DNA受到損壞，細胞就會通過將鬆散的末端縫合在一起，或插入一個新的片段對它進行修復。這一過程構成了基因編輯的基礎。在Doudna、Charpentier和?ik?nys發現結果之前，基因編輯方法涉及到的是DNA蛋白之間（主要是鋅指核酸酶和類轉錄激活因子效應物核酸酶）結合的複雜系統。而CRISPR-Cas9方法則要簡單得多，它僅需基於DNA-RNA連接。早在2013年初，一些報告證實，可以通過CRISPR-Cas9來影響人類和植物的DNA，為該技術在基因編輯中的潛力提供了進一步的證明。

鑒於CRISPR-Cas9的簡單性，世界各地的許多研究團隊都已致力於探索它在各種生物醫學應用中的潛力。基因編輯可以通過從患者DNA中移除致病的突變，而具有治療遺傳疾病的潛能。在最初的體外實驗之後，研究人員進行了體內實驗，CRISPR-Cas9被注射到了動物模型體中。早期的一個例子是治療小鼠的杜氏肌營養不良症。其他研究集中在囊性纖維化上。除此之外，科學家還探索了它在其他一些癌症類型中的應用，這促成了美國國立衛生研究院批准的一項臨床研究，以及一些主要在中國進行的研究。

CRISPR-Cas9的抗病毒起源還啟發了科研人員探索它在其他抗擊病毒感染（如乳頭瘤病毒和乙型肝炎）中的應用。在抗擊艾滋病（HIV）病毒方面也獲得了令人欣喜的結果，在許多動物模型中HIV病毒都顯示出了退化效應。

由CRISPR-Cas9誘導的基因突變而引起的蝴蝶外觀變化。左邊顯示的是野生型，右邊為突變型。| 圖片來源：PNAS 114,10701-10706（2017）

除了治療應用，基因編輯也能以其他目的用於動植物身上。通過對負責某一物種的某個特徵的基因進行修改或消除，就有可能徹底地消除這一特徵，這可以是外觀特徵（上圖）、還可以是攜帶病毒能力的特徵。例如實驗已經證明，可以用CRISPR-Cas9讓瘧蚊突變，使它們有可能獲得抵抗瘧原蟲的能力。最重要的是，這種突變可以遺傳到每一隻昆蟲後代的身上。如果成功，這種類型的研究或許對由昆蟲傳播的疾病產生巨大影響。

性狀突變同樣也可能用於繁殖牲畜，例如讓動物更強或更耐病毒。科學家已經在煮的身上實現了耐病毒這一點。以類似的方式，通過植物中的突變基因，或許能有效地改善農業。實驗工作已經生產了具有更好的抗病蟲害、或抗不利天氣條件（如乾旱）的農作物。甚至連果蔬的大小、顏色或味道等都可以受到改變（下圖）。

由CRISPR-Cas9誘導的兩種基因突變對番茄的影響。左圖顯示的是只有兩個小室的野生型番茄；中間和右邊的圖顯示了因兩種不同基因突變導致結果，分別產生6個和12個小室。| 圖片來源：Nature Genetics 47，784-792（2015），由Macmillan Publishers Ltd提供

值得一提的是，鑒於CRISPR-Cas9基因編輯工具的巨大潛力，在使用它時我們更需要具有很強的責任感。它能帶來的益處是巨大的，尤其是因為這一技術相對簡單的特點，能被大量科學家和商業企業加以應用。但是，人們對其潛在的濫用和負面作用存在著嚴重的擔憂。試想一下通過在胚胎中修改基因以改變人的特定性狀、或通過引入後代可以遺傳的突變這類事件可能產生的倫理問題。就算沒有這麼極端，只是出於其潛在的有益目的，改變動物或植物也可能對整個生態系統造成災難性的影響。目前，一些正在進行的研究試圖理解在任何物種類型中引入基因突變所具有的潛在不良影響。由於不同國家的公眾和政策制定者對基因編輯的看法不同，因此目前的情形比較複雜，也難以建立統一的監管體系。好消息是，科學家都了解到這些問題的嚴重性，並且正在與監管機構合作，確保減輕其負面影響。

除了其實際的應用價值，CRISPR-Cas9還是一個強大的科研工具。舉幾個簡單的例子，例如為了研究基因的功能，科學家可以用CRISPR-Cas9讓基因突變、甚至使基因沉默，從而觀察這一基因對生物體的影響。或者，可以對用於實驗的動物模型的DNA進行突變修改，從而讓因太過於危險或涉及倫理問題而無法在人體上進行的研究得以實現。

在不到6年的時間裡，Doudna，Charpentier和?ik?nys的研究已經讓CRISPR-Cas9發展成為遺傳學領域最強大的工具之一。正如挪威科技大學教授兼卡弗里納米科學委員會主席Arne Brataas所說的那樣：「CRISPR-Cas9是一個突破性的納米工具，它將大大加強我們對遺傳機制的理解。這一偉大的發明能賦予社會巨大的積極創新的能力」。

參考來源：

http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2018-kavli-prize-nanoscience

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