利用CRISPR大规模改变生命前，我们还需要面对什

作者：张馨予

文/观察未来科技

千万年来，生物世界一直都遵循着演化的原理而演变：生物随机产生一系列的遗传突变，其中一些为生存、繁殖和竞争赋予了优势，包括我们人类在内也一直被演化塑造。不过，自从一万多年前农业出现以后，人类就开始通过选育动植物而影响演化的进程。当然，演化需要的原材料，即一切遗传变异背后的DNA随机突变，仍是自发产生的。因此，人类改造自然的能力是有限的。

然而，今天，基因技术的出现使得人们可以使用强大的生物技术来修饰活细胞里的DNA，甚至改造这个星球上所有物种的遗传密码。在诸多基因编辑的工具中，最新，也可能是最有效的，就是CRISPR-Cas9（简称CRISPR）。有了CRISPR，生物体的基因组正在变得像文本一样可以被编辑。

来自食品配料公司的惊人发现

CRISPR这项新奇的技术是人们在尝试制作更优质的酸奶时发现的，而在正式确认CRISPR的作用前，CRISPR也经历了曲折的发展。

1987年，日本大阪大学的分子生物学家石野良纯（Yoshizumi Ishino）在研究大肠杆菌基因组的时候，发现了一些奇怪的重复结构，这些重复系列长29个碱基，反复出现了5次，并且两两之间被32个碱基组成的杂乱序列分隔。在当时，科学家们对于这种现象一头雾水，也没有引起重视。

然而，就在5年多后的1993年，类似的重复系列在数种细菌中被多个研究团队发现，包括结核分支杆菌和地中海嗜盐菌。在解开这些重复序列之谜的工作中，西班牙科学家Francisco Mojica做出了重大的贡献。在此后的研究中，他利用了生物信息学工具，在DNA数据库中发现了多达20种的微生物基因组中包含这种重复序列。在2001年，Mojica和同事Ruud Jansen一起决定把这种重复系列命名为簇状规则间隔短回纹系列，即CRISPR。

2002年，Ruud团队发现了CRISPR系列附近总是伴随着一系列同源基因，它们将这些基因命名为CRISPR associated system，即cas基因。最初发现的四个cas基因被命名为cas1~cas4。他们所编辑的蛋白，也顺理成章的被称为cas蛋白。至此，CRISPR和Cas被紧紧联系起来了。

2005年，同时有3个相互独立的研究团队（包括Mojica团队）发表文章，证实在CRISPR系列中，夹在重复系列中的看似杂乱无章的部分，实际上是来源于噬菌体的DNA。他们提出了一个大胆的假设：CRISPR很有可能是细菌抵御病毒入侵的免疫系统。细菌被病毒感染后会把病毒的特征序列小心地处理一下，并存放在自己的基因池中，以便下次再被感染的时候，可以迅速识别并进行抵御。遗憾的是，三个团队的发现与假设，无一例外的被高影响因子的杂志拒稿，最终只能发表在影响因子较低的学术刊物上。

然而，就在两年之后，对于这个假设的验证实验却堂堂正正的发表在了《science》杂志上。这项研究成果意料之外地来自一家食品配料公司——丹尼斯克集团。要知道，天然的酸奶通过引入益生菌来帮助我们消化，2006年，丹尼斯克集团的员工致力于解决一个食品加工业的常见问题，控制那些入侵、改变甚至破坏酸奶、葡萄酒、奶酪、面包和其他一些食物中的益生菌的病毒。

于是，丹尼斯克集团的员工在嗜热群链球菌中，人为添加了一段CRISPR系列，结果发现，这些细菌可以抵挡与其对应的病毒的入侵，同时他们也证实了在细菌中，这套系统是不断进化的。细菌可以不停地收集病毒的基因信息，并把它们整合到CRISPR中，下次如有同样的病毒入侵时，他们就可以对抗这些病毒了。

这一发现也让科学家们真正意识到，这是一种生物上的诺顿或迈克菲防病毒程序，可以识别并移除入侵病毒，并用适当的DNA片段取代它们——CRISPR可以简单快捷地对基因序列进行剪切、粘贴、插入或移除等操作，作用对象不仅限于细菌和病毒。CRISPR可以有效地删除会导致缺陷或疾病的基因序列，然后用有益的、正常的、非突变的基因片段取而代之。之后，当修复后的细菌或其他细胞产生数百万的后代时，后代的基因组中都会带有修复过的DNA。

CRISPR技术大放异彩

与早期基因工程采用的方法不同，比如基因治疗技术得用复杂烦琐的步骤将新的基因引入基因组，CRISPR是一项快速的、可以大范围应用的基因编辑技术，它可以快速修改现有基因组的大段片段，轻而易举地剪掉有害的基因，并用新的基因去替换它们。