基因編輯咋編輯

如同對文本進行修改一樣，首先把錯誤或想要修改的地方找出來，然后使用工具，插入、刪除或者改寫一段“文字”

了解基因編輯的原理，首先要弄懂什么是基因。基因是具有遺傳效應的DNA（脫氧核糖核酸）片段，它能控制生物的性狀，支持生命的基本構造和性能。自DNA發現以來，科學家們一直在嘗試進行“基因編輯”，比如培育更高產的小麥、選育毛色更可愛的寵物……這些懵懂的“原始實驗”從未間斷。

專家介紹說，基因編輯就是特異性地來改變目標基因序列的技術。如同對文本進行修改一樣，首先要把錯誤或想要修改的地方找出來，然后使用工具，按照修改的意圖，插入、刪除部分詞句或者改寫一段“文字”。當然，基因編輯是在細胞內對基因序列進行類似的操作，過程更加復雜：首先需要用一種復合體把目標基因序列特異性地識別出來，以避免“傷及無辜”；復合體再將DNA的雙鏈剪斷，在目標基因序列上制造斷裂端，這時細胞自身的DNA修復機制馬上會啟動，對斷裂端進行修復，讓它重新連接起來。如果在修復過程中，有一個“模板”存在，細胞就會以此為標準進行修復，基因編輯就此完成。

這種能切割的復合體必須是一把自帶“導航系統”的“剪刀”，即包含DNA識別區域和DNA切割區域。“剪刀”在基因編輯的過程中至關重要，因此找到更好用的“剪刀”一直是基因編輯的主要任務。

這把“剪刀”就是人工核酸酶。20世紀90年代，鋅指核酸酶（ZFNs）出現，該技術由鋅指蛋白實現對DNA的識別，由核酸酶進行精準切割。經過十幾年的發展，鋅指核酸酶技術已應用于果蠅、斑馬魚、大鼠、小鼠等多種模式動物的遺傳研究，成功實現了基因的修飾。2005年，它還首次實現了對人類細胞基因的定點修飾。然而，鋅指核酸酶的精確度要建立在龐大的鋅指表達文庫之上，從中篩選出鋅指蛋白，耗時費力，成本也高，因此沒有得到大規模的應用。

另一把“剪刀”是類轉錄激活因子核酸酶（TALENs），理論上它可以實現對任意基因序列的編輯，原理與鋅指核酸酶技術相似。雖然它在篩選、構建方面要容易一些，但同樣比較繁瑣，還可能引起機體免疫反應。

魏文勝指出，雖然鋅指核酸酶、類轉錄激活因子核酸酶的使用門檻比較高，但是在一些領域如基因治療中，仍然有重要的價值。

CRISPR為何火

CRISPR是一個平民化的“神奇剪刀手”，更便宜、更便捷、靶向更加準確

讓基因編輯真正變得簡便好用的，是一把叫CRISPR的基因“剪刀”。

細菌是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體。和大多數生物一樣，細菌也會受病毒感染，使其成為正常細菌的殺手——噬菌體。在漫長的進化過程中，細菌逐漸有了自己的應對之策——免疫系統。20世紀80年代末，研究人員在觀測大腸桿菌時發現，在細菌基因的尾端，有一些看上去很奇怪的重復序列。這些序列隨后被命名為成簇的規律間隔的短回文重復序列（CRISPR）。病毒性感染就像定時炸彈，在它“爆炸”之前，細菌只有很短的時間來處理，而CRISPR就是一個“拆彈專家”。

CRISPR是如何“拆彈”的？研究人員注意到，這些重復的序列之間總是由一些很古怪的間隔區（spacer）隔開，這些間隔區之所以看上去很古怪，是因為它們根本就不是細菌自身所有的東西，而是從噬菌體病毒的DNA上“剪”下來的小片段。簡言之，細菌細胞產生CRISPR相關蛋白（Cas蛋白），在病毒入侵之后，Cas蛋白便會結合到病毒DNA上，從上面“剪”下一塊病毒DNA，然后將其轉運到細菌細胞的基因組，插入其中，使之成為一處“間隔區”。從此以后，細菌細胞便會利用這一間隔區來識別與之相對應的病毒，實現對病毒再次入侵的免疫應答。更神奇的是，CRISPR系統還可以將獲得的部分DNA片段整合進基因組，形成記憶并遺傳，從而可以保護后代的細胞免受病毒的攻擊，就像隨身帶了一張基因的“疫苗接種卡”。

“科學家很快意識到，基于這種精確的靶向功能，CRISPR/Cas9系統可以被設計開發成一種高效的基因編輯工具，只要將被編輯的細胞基因組DNA看作病毒或外源DNA就可以了，從而使我們可以利用RNA（核糖核酸）來引導Cas9蛋白實現對多種細胞基因組的特定位點進行修飾。”黃志偉說。

在CRISPR/Cas9技術中，基因編輯的實現需要這兩個工具——向導核糖核酸（gRNA）和Cas9蛋白，其中Cas9蛋白具有切割DNA片段的功能，可使DNA發生雙鏈斷裂，進而誘導細胞產生DNA 損傷修復。gRNA與Cas9蛋白結合在細胞中，會形成復合體，它會“檢索”細胞中所有的DNA，找到與其內部gRNA的序列相對應的位點，然后連接，讓Cas9蛋白質精確地把相關DNA“剪”掉，從而實現了對細胞中目標基因的編輯。“打個比方，CRISPR系統相當于一枚導彈，gRNA相當于它的引導部，而蛋白就相當于它的戰斗部。剪切不同基因的時候，只要改變gRNA的序列就可以了。”黃志偉說。

與鋅指核酸酶、類轉錄激活因子核酸酶技術相比，CRISPR技術顯得非常“平民化”，它無物種限制、成本低、易上手、實驗周期短、靶向更加準確，節省了大量的時間和成本。科學家希望用這種技術對人類的基因進行編輯，以達到治療疾病的目的，同時也希望將這種技術用到作物的改良之中。

“事實證明，CRISPR技術非常強大，因為它改寫的是底層的密碼。”魏文勝說。橫空出世的CRISPR/Cas9基因編輯技術被《科學》雜志評為2015年最重要的“突破性發現”，并被科學家認為是20世紀70年代以來最重要的基因工程技術。