重庆
基因编辑
2022/5/25
远古时期，生命还未登上陆地之时，细菌、古菌等单细胞原核生物就已经和病毒展开了一场旷日持久的军备竞赛。
病毒的繁殖策略，是把自己的基因释放到原核生物体内，鸠占鹊巢，利用原核细胞内的生产机器帮自己无限复制，最终涌出这座城池，使它破裂而亡。这种方式一直非常奏效，因为在毫无准备的偷袭之前，原核生物就像一个睁眼瞎。直到某一天，一个原核生物遭受病毒的侵染却逃过一劫。
作为战利品，它把病毒的一小段基因序列整合成一段有规律间隔的成簇短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR），变为自己遗传信息的一部分。
病毒再次潜入细菌，悄悄释放自己的基因，这回却看见一个大块头卫兵牵着一条小猎犬到来。病毒发现猎犬和自己长得很像，但它不知道那并不是它失散多年的兄弟，而是以 CRISPR为模板制造的替身——一段向导RNA。小猎犬遇到病毒的序列就上去闻闻嗅嗅，和自己的样子进行比对，嗯，一模一样！于是那个大块头卫兵——Cas9蛋白奋力一撕，入侵者的基因链顿时支离破碎……
细菌从此获得了一个赖以生存的免疫武器。
（插图：苏盼盼）
时间不知过了多少亿年，人类科学家发现了这个纳米级别的小武器。此时我们早已经知道人类生长的蓝图也是一段基因序列组成的“天书”，并且像孙悟空修改生死簿那样，很想把这本天书按自己的想法进行“编辑”。CRISPR/Cas9的机制，就给了孙悟空这样一支妙笔。如果我们人工设计一段向导RNA来给Cas9蛋白引路，那后者岂不是可以指哪打哪，激活、关闭、修复或者移除“天书”中的任意一段文字，让一些疑难疾病变得可以治愈、被深深锁在基因组里的功能也可以重见天日？
科学家用了30年的时间让这个武器为自己所用。最早发现CRISPR具有成为基因编辑工具潜能的两位女科学家Emmanuelle Charpentie和Jennifer A. Doudna因此获得了2020年度的诺贝尔化学奖，而华人科学家张锋最早把它开发成一个成熟的基因编辑工具，并应用于哺乳动物和人类细胞中。
在此之前，早期的基因编辑技术包括锌指核酸内切酶（ZFN）技术和转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）技术，它们也都是基于自然界进化出的生物学机制获得的启发。但CRISPR/Cas9因其高效廉价，迅速取代了前两种基因编辑技术。如今，人类胚胎基因编辑和人类成体基因组编辑正在严格的监管机制下进行技术研发，而动植物、真菌、细菌等物种的基因编辑技术，已经开始让我们获得全新的药物、农产品和化工产品。
名词解释
Cas9蛋白
其本质是一种针对核酸的限制性内切酶，在CRISPR/Cas9系统中行使对 DNA切割的调控和校验功能。
ZFN技术
也是一种人工合成的限制性内切酶，可以是识别核酸的目的片段并切割。
本文作者：
翟继鹏，浙江大学动物科学专业，科普作家
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编辑：蓝渝凯
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