2015年技术明星CRISPR的生物学研究奇迹

2007年，奶酪和酸奶制造商们为了提高酸奶产量发现了一个意想不到细菌抗病毒防御机制，最后对不同菌株测序后，发现CRISPR 可能与噬菌体感染和免疫防御有关，研究这一技术的杜邦公司还围绕这一技术申请了大量专利。

2012年，这种技术被发展成为一种基因编辑技术。2013年，这种技术开始被大量采用。CRISPR全称为clusteredregularly interspersed short palindromic repeats(规律间隔成簇短回文重复序列)，是细菌及古细菌的一种后天免疫系统，能用靶位点特异性RNA指导Cas蛋白对靶位点序列进行修饰。CRISPR技术2012年由美国和欧洲的科学家共同发现。2013年两篇Science新闻介绍了CRISPR技术，使生命科学领域迅速刮起了CRISPR风暴。2014年，CRISPR成功用于活体动物，作为动物基因删除或新基因插入的技术。迄今为止，CRISPR方法迅速席卷整个生物医学领域，成为DNA编辑的一种重要技术。这种技术已经成为一个生物学研究的奇迹，有望不久就能问鼎诺贝尔奖。

在CRISPR/Cas系统中，CRISPR RNA和反式作用CRISPR RNA通过碱基配对形成双链RNA，此双链RNA指导Cas9蛋白在靶定位点切断双链DNA。在基因组编辑过程中，两类RNA可融合成1条RNA，同样能起到靶向剪切作用，这大大简化了操作。CRISPR技术不仅提高了科学家编辑基因组的精确度，而且明显提高了剪切或插入合成DNA片段的速度，能创造许多人类癌症动物模型或抵抗HIV病毒的红细胞。

与其它任何方法相比，CRISPR的突出优点在于它只使用一种酶。这种酶不需要对你设定目标进行任何修改，只需要使用一个特定RNA序列靶向修改目标，就可以对目标序列进行重新编辑，在分子生物学技术非常成熟的今天，这非常容易设计和实现。剪切酶好像一个剪刀，RNA好像就是地址编号，然后就可以定点操作。

CRISPR技术分别在2012年和2013年被评为Science杂志年度科技突破，当时都是和其他基因编辑技术一起获得这一荣誉，2015年则一跃独立成为十大科学突破之首。主要是因为这一技术2015年再次发生一些吸引人的故事。

其中一个就是利用这个技术制造出了一种可以传染的基因，科学家利用这种可传染基因对付疟疾感染，这在理论上是可行的，技术上也已经实现。另外一个就是采用这个技术进行了人类胚胎细胞的基因编辑。这些技术不仅是学术上的重要事件，也让普通大众倍加关注，甚至对科技政策和伦理都会产生挑战，最近召开的DNA峰会上这已经成为重要的讨论话题。

CRISPR为什么那么牛，基因编辑的前辈锌指核酸酶和TALENs也能精确地编辑DNA序列，许多公司也已经利用这些技术开发出治疗方法，甚至开展了临床试验。但是后来者CRISPR技术更容易更经济，任何普通的分子生物学实验室都可以实现这种技术。

非营利组织Addgene已经分发5万个包含CRISPR两个组件Cas9和特定基因序列识别序列的质粒，意味着这一技术可以像PCR一样随时对5万个目的基因进行修改。

利用CRISPR的强大修改能力，科学家能制造出包含各种新基因的新物种。早期研究发现，细菌能从威胁它们的病毒上借出遗传序列，将这种序列整合到自己的基因组中，然后利用这种独特的CRISPR防御系统躲避病毒未来的进攻。这是一种典型的细菌层面的抗病毒感染免疫系统。

CRISPR已经有大量应用，其中的一个是利用这种技术建立一种能在物种之间传染基因的方法。2003年，伦敦帝国理工学院进化生物学家Austin Burt发现一种能在染色体之间传染的基因。今年早些时候，一个美国团队利用CRISPR实现了基因传染的目的。他们建立了“诱变连锁反应”技术，在实验室培养出一种基因传递效率极大的果蝇。然后他们与另一个研究小组合作制造出能传播抗疟疾基因的蚊子。

在其他实验室，研究人员利用这项技术来制造各种各样的基因工程动物和植物，如肌肉强健的猪、米格鲁猎犬、抗病毒猪、抗真菌小麦、不容易腐烂的西红柿和不会过敏的花生等。一些实验室如MIT的张峰小组更是对这种技术进行进一步改造，以提高其工作能力和效率。中国科学家已经用这种技术进行了人类胚胎细胞的基因编辑。有科学家利用这种技术对猪的病毒基因进行群体灭火，以制造能移植给人类的猪器官。

总之，CRISPR带来的生物学新进展令人眼花缭乱，让许多科学家实现了基因操作的梦想。虽然我们对这种技术有一些担忧，但是我们已经突然来到基因编辑流行的时代。

DNA和RNA统称为核酸。

DNA是脱氧核糖核酸，它是生物遗传信息的载体，主要存在于细胞核内，由两条脱氧核糖核苷酸链组成双螺旋结构，脱氧核糖核苷酸由一分子的脱氧核糖、一分子的磷酸和一分子的含氮碱基组成。

RNA是核糖核酸，它在生物体内广泛存在于细胞质中，在病毒中可以作为遗传物质；种类比较多，在遗传信息的表达过程中有重要作用，如蛋白质的合成，它的一种mRNA可以起到将遗传信息转录的作用（制版），然后可以将这一信息翻译，指导蛋白质的合成，翻译中还需要另外一种tRNA作为运载工具将氨基酸运到指定的位置，另外还有一些可以作为酶（生物体内的催化剂）的其他种类的RNA。

（来源于网络）

参考资料

1 Science News：Breakthrough of the Year: CRISPR makes the cut

http://news.sciencemag.org/scientific-community/2015/12/and-science-s-breakthrough-year

2 Monya Baker, Ewen Callaway, Davide Castelvecchi et al.365 days: The science events that shaped 2015. Gene-editing, climate change and Pluto are among the year’s top stories.

http://www.nature.com/news/365-days-the-science-events-that-shaped-2015-1.19016