一文了解| CRISPR-Cas9：改变世界的基因编辑工具

CRISPR-Cas9是21世纪最大的发现之一。自2012年开发以来，这种基因编辑工具已经彻底改变了生物学研究，使研究疾病变得更容易，发现药物更快。该技术还对作物、食品和工业发酵过程的发展产生了重大影响。

但让它出名的一个应用是人类基因组的修改，这带来了使用CRISPR治愈疾病的希望。在中国、欧洲和美国，第一个在人体中测试CRISPR-Cas9的临床试验已经在进行。因此，当科学家们开始冒险调整我们自己的DNA时，值得花时间充分了解CRISPR是什么，以及使用该技术的实际好处和风险是什么。

什么是CRISPR-Cas9？

CRISPR是“成簇的规则间隔的短回文重复序列”的缩写。该术语指的是90年代西班牙科学家弗朗西斯·莫吉卡(FrancisMojica)广泛研究的细菌和古细菌DNA中的一系列重复模式。

这些模式是原始免疫系统的基础，细菌通过将病毒的DNA序列整合到CRISPR模式中来“记住”病毒入侵者的DNA。然后，Cas9蛋白能够识别存储在CRISPR模式中的DNA序列，并切割任何具有匹配序列的DNA分子。

但直到2012年，JenniferDoudna和EmmanuelleCharpentier才将这一发现更进一步，并提出CRISPR-Cas9可用于切割任何所需的DNA序列，只需为其提供正确的模板。几个月后，博德研究所的FengZhang和GeorgeChurch发表的另外两篇论文也报道了CRISPR作为基因编辑工具的一些早期用途。

值得注意的是，迄今为止，CRISPR并不是第一个允许我们编辑各种生物体中DNA的系统。之前广泛使用的其他基因编辑技术是TALEN和锌指核酸酶(ZFN)。

但与其他技术相比，CRISPR带来了一个重要优势：使用起来更容易、更快捷。大多数以前的技术都需要为每个特定的DNA修饰从头开始创建基因编辑蛋白。使用CRISPR，相同的Cas9分子只需为其提供一个引导RNA分子，就可以将其定向到任何序列，这更容易合成。像美国Synthego这样的公司已经发现了为研究人员生产这些引导分子的良好商机。

CRISPR能做什么？

理论上，CRISPR基因编辑可用于对几乎任何生物的DNA进行任何修改。在生物技术和制药公司，CRISPR正在成为药物发现和开发的首选工具。在学术研究实验室中，基因编辑工具被用于修改各种生物的基因组，以研究感兴趣的基因功能，无论是导致疾病的基因，还是影响作物生长更快或在严酷条件下生存的基因，都可以利用CRISPR技术进行编辑。

在农业领域，CRISPR可用于生产产量更高或抗旱的作物，其速度比传统育种技术快得多。它还可以用于添加新功能，例如使番茄变辣，或去除其他功能——例如制作无麸质小麦或无咖啡因咖啡豆。

但是，法规可能会限制这些技术的使用。虽然美国已经看到了CRISPR改良作物的推出，但欧盟决定制定严格的转基因法规，科学家们认为这些法规阻碍了该技术的潜力。

但现在，大部分资金似乎都花在了使用CRISPR-Cas9来设计人类DNA上。由于单个人类基因突变引起的疾病超过10,000种，CRISPR提供了通过修复其背后的任何遗传错误来治愈所有疾病的希望。

使用CRISPR作为治疗有两种主要方法。第一种为体外基因编辑。它涉及提取人体细胞，在实验室中对其进行改造，然后将它们重新注入患者体内。这种方法类似于市场上已经用于大多数基因疗法的方法。然而，考虑到每个患者都需要单独的制造过程来进行治疗，它可能会变得非常昂贵。

第二种方法称为体内基因编辑，涉及将CRISPR-Cas9输送到患者体内，直接从细胞内编辑DNA。CRISPR可以在纳米颗粒内传递或编码到DNA中，并在完成任务后被清除出体外。这种使用CRISPR的方法在2020年才开始人体测试，有人担心CRISPR存在脱靶修饰的风险。

用CRISPR编辑人类DNA安全吗？是否道德。

这是现在的大问题。尤其是在2018年CRISPR基因编辑被争议地用于创造世界上第一个基因编辑婴儿之后。这些“CRISPR婴儿”携带一种突变，旨在保护他们免受HIV感染。由于世界各地的科学家质疑在没有完全了解可能后果的情况下改变人类DNA的伦理学，该实验遭到了强烈反对。

尽管围绕CRISPR疗法存在诸多争议，并且投入了大量资金，但我们仍处于临床试验的早期阶段。科学家们对重复上世纪90年代首次在人体中测试基因疗法时所犯的错误持谨慎态度，这导致18岁的杰西·盖尔辛格(JesseGelsinger)去世，并导致基因疗法的发展延迟数年。

现在，即使CRISPR被证明在人类中是安全的，那么修改人类基因组是否合乎道德？该技术的首次应用，旨在治愈遗传疾病，似乎很简单。但是应该在哪里画线呢？治疗在什么时候成为优生学的工具？

虽然我们能够随意修改各种人类特征的时间点在未来遥遥领先，但现在开始思考应该如何监管这项技术永远不会太早。许多科学家，包括詹妮弗·杜德纳，似乎都同意我们应该远离生殖系编辑——也就是说，孩子们会继承的任何修改。

谁在开发CRISPR-Cas9疗法？

自2012年第一份出版物将CRISPR-Cas9展示为一种基因编辑工具以来，该技术的开发人员已经成立了许多公司。

CRISPR Therapeutics总部位于瑞士和美国，由Emmanuelle Charpentier共同创立。该公司与Vertex Pharmaceuticals合作，已经从两项正在进行的I/II期试验中获得了初步结果，显示出治疗血液疾病β-地中海贫血和镰状细胞病的前景。CRISPR Therapeutics使用体外方法，将患者的骨髓干细胞在体外进行基因工程改造。

在美国，第一个CRISPR临床试验于2019年初开始，由宾夕法尼亚大学的科学家进行。除了这些学术努力之外，由Jennifer Doudna共同创立的Intellia Therapeutics等美国公司正在研究基于CRISPR的治疗方法。Intellia的第一个目标是体内治疗一种罕见的神经系统疾病，称为转甲状腺素蛋白淀粉样变性。该公司已经为第一位患者服用了该疗法，并且I期试验正在进行中。

由Doudna和Charpentier的竞争对手张锋创立，还有Editas Medicine，致力于治疗遗传性失明和癌症等。Doudna最初与Zhang共同创立了Editas，但在Zhang获得CRISPR专利后几周就停止了所有参与，有关知识产权的问题开始出现。

CRISPR的下一步是什么？

由于其潜力已经在研究应用中得到证明，CRISPR 的下一个重要里程碑将是证明它作为一种治疗方法是安全有效的。但仍有许多其他应用正在进行中。

例如，由George Church共同创立的美国公司eGenesis正在使用CRISPR修改猪基因组，以便将它们的器官移植到人类体内而不会出现排斥反应。

另一个是使用CRISPR作为诊断工具；一些研究人员已经开发出一种使用CRISPR检测Covid-19的方法。

其他公司，如CRISPR Therapeutics和美国生物技术公司Allogene Therapeutics，正在使用CRISPR开发来自供体细胞的基因编辑T细胞疗法。然而，Allogene最近在参与其I/II期临床试验的患者身上发现了意外的基因变化后遭遇了挫折。因此，该公司不得不暂停所有临床开发。

尽管如此，随着新变体的开发，CRISPR可能仍然会让我们感到惊讶。瑞士科学家开发了一种使用CRISPR同时编辑多达25个基因的方法。巴斯夫等大品牌已经在使用另一种名为CRISPR-Cpf1的基因编辑工具，它可以更轻松地用另一个DNA序列替换一个DNA序列。

“你可以想象，许多实验室——包括我们自己的——都在忙于研究其他变体以及它们是如何工作的，”Doudna说。

基因编辑工具在DIY科学家和生物黑客中也变得非常流行。一些人认为，这项技术所需的相对简单的方法可能有助于使科学民主化，并使其更接近实验室外的人们。然而，这些用途将如何受到监管还有待观察。

无论如何，CRISPR对生物学的影响已经是切实可见的，并且已经作为一项重大发现载入史册。蛋糕上的樱桃无疑是2020年的诺贝尔化学奖，该奖颁给了Charpentier和Doudna，以“开发一种基因组编辑方法”。

“我们很高兴看到生物科学领域如此卓越的成就获得了这一最高荣誉的认可，”行业组织Europa Bio表示。“公众参与度的增加将促进对话、信息共享和信任建设，这对于基因组编辑的未来发展至关重要。”