CRISPR，有望彻底改变从医药到农业的一切丨医麦新观察
今天是2018年10月21日
农历九月十三
医麦客：“魔剪”— —大自然赐予的神力
2018年10月21日/医麦客 eMedClub/--过去几年，CRISPR无疑成为了最重要和最吸引人的科学故事之一，科学家们可以在几天内快速而简单地利用细菌免疫系统中的防御机制，来编辑其他生物体中的基因，包括植物、小鼠，甚至人类。
发挥你的想象力，CRISPR可以完成许多令人震惊的事情：它可以帮助我们制造不易变褐的蘑菇，编辑造血干细胞来治疗镰状细胞性贫血或编辑T细胞来治疗癌症，以及进行疾病的即时检测。在未来，CRISPR可能会帮助我们开发耐旱作物并创造强大的新抗生素，甚至可以消灭整个疟疾传播的蚊子群，或者复活曾经灭绝的物种。
然而，至少从目前来说，CRISPR仍存在着一些限制其发展的因素。今年上半年，出现了几篇关于CRISPR/Cas9技术脱靶效应的报道，指出其会无意中删除和重排大片DNA，可能存在致癌风险。
对此，正在研发相关疗法的公司表示，他们编辑的细胞中并未观察到有任何的致癌转化。或许，所有变革性技术在实践时都需在质疑声音中变得更完善、更强大。
CRISPR的发展历程
从哪里来？
CRISPR技术发展时间轴（图片来源：Nature）
回到1987年，日本大阪大学的Yoshizumi Ishino等人在研究大肠杆菌（E. coli）时，发现了DNA中一些不寻常的重复序列，写道：“这些序列的生物学意义——未知”。随着时间的推移，其他研究人员在别的细菌（和古细菌）的DNA中发现了相似的重复序列。
2002年，这些序列正式被命名为：规律间隔成簇短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR）。
然而，这些CRISPR序列的作用几乎是一个谜。直到2007年，法国Danisco公司的Philippe Horvath及其同事在研究用于制作酸奶的链球菌时发现：这些神秘的序列是细菌免疫系统的一部分。
细菌受到病毒的不断攻击，并产生酶以抵御病毒感染。每当细菌的酶成功杀死入侵的病毒时，其他一些较小的酶就会出现，它们舀起病毒遗传密码的遗骸，然后将其切成小块，并储存在那些CRISPR序列当中。
聪明之处在于：
细菌使用存储在这些CRISPR中的遗传信息来抵御未来的攻击。当一种新的感染发生时，细菌会产生特殊的攻击酶，称为Cas9，它携带那些储存的病毒遗传密码。当Cas9酶遇到病毒时，如果病毒的RNA与储存的病毒遗传密码相匹配，Cas9酶就会切断病毒的DNA以中和威胁。过程就像以下这幅图。
来自化脓性链球菌的CRISPR/Cas9基因编辑复合物，Cas9核酸酶蛋白使用指导RNA序列在互补位点切割DNA。Cas9蛋白：红色；DNA：黄色；RNA：蓝色。（图片来源：Shutterstock）
2011年，加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna和当时在瑞典于默奥大学的Emmanuelle Charpentier 对CRISPR/Cas9系统的实际工作方式感到困惑。很快，他们发现可以通过喂食人工RNA来“愚弄”Cas9蛋白。当他们这样做时，酶会搜索具有相同代码的任何东西，而不仅仅是病毒，并开始“砍伐”。
2012年，Nature上发表了一篇具有里程碑意义的论文中，Doudna、Charpentier和Martin Jinek表示：他们可以使用这种CRISPR/Cas9系统在任何想要的地方切割任何基因组。
虽然该技术仅在试管中的分子水平上得到证实，但足以令人叹为观止。该项研究预示，CRISPR/Cas9系统像ZFN和TALEN一样，可能作为另外一种RNA指导的基因编辑方法。
随后，取得进一步进展的是麻省理工学院(MIT)和哈佛大学的Broad研究所的华人学者张峰，其研究组于2013年2月刊登的一篇论文表明：CRISPR/Cas9可用于编辑小鼠细胞或人类癌细胞的基因组。在同一期的Science期刊上，哈佛大学的George Church和他的团队展示了如何使用CRISPR技术来编辑不同的人体细胞，包括正常人的iPS细胞。
从那时起，研究人员发现CRISPR/Cas9的功能非常多样。科学家不仅可以使用CRISPR通过剪断基因来“沉默”基因，还可以利用修复模板将剪切片段留下的缝隙替换为所需的基因。
CRISPR基因编辑
https://v.qq.com/x/page/s0659m1ngki.html
（视频来源：VOX）
基因编辑本身并不新鲜，敲除基因的各种技术已存在多年。究竟是什么让CRISPR变得如此具有革命性，有以下几点：
非常便宜和简单：可能只需75美元和几个小时，而在过去，基因编辑可能需要花费数千美元、数周或数月；
非常精确：脱靶效率较低；
非常有效：对所尝试过的每一种生物都有效。
毋庸置疑，这已成为最热门的领域之一。2011年，关于CRISPR的论文数量不到100篇。在2017年，已经有超过14,000篇，关于CRISPR的新改进、操纵基因的新技术和精确度的提高方法等。CRISPR先驱Doudna不禁表示：“这已成为一个快速发展的领域，我现在很难跟上”。
基于该技术的变革性，在美国，学术界出现了一场前所未有的“专利之争”，对战双方分别是Doudna领衔的加州大学和张锋所在的Broad研究所。目前，已告一段落。
尽管专利纷争不断，但庆幸的是，并未影响CRISPR技术的广泛传播和应用。CRISPR时代已经到来！
CRISPR的应用前景
到哪里去？
在最基本的层面上，CRISPR可以让研究人员更容易地弄清楚不同生物体中不同基因的实际作用，例如通过敲除单个基因并查看哪些特征受到影响。这很重要：虽然自2003年人类基因组计划完成以来，我们已经有了人类基因组的完整“地图”，但仍不清除这些基因的功能是什么。而CRISPR可以加速基因组的筛选，大规模推进遗传学研究。
近年来，研究人员还发现有许多CRISPR系统。因此，CRISPR实际上是一个相当广泛的术语。张锋说道：“这就像'水果（fruit）'一词 - 它描述了一个整体类别。例如，CRISPR蛋白Cas9和Cas13就像苹果和香蕉”。
而CRISPR真正的魅力，也可能是真正的风险— —可能来自动植物水平上的编辑！
科学家们已经在尝试使用CRISPR技术来编辑各种作物的基因，使它们变得更美味、更低热量、更有营养或者抗压能力更强。再者，他们可能会使用CRISPR来剔除花生中的过敏原。
最近，像Monsanto和DuPont这样的大公司已经获得CRISPR技术的专利授权，开发有价值的新作物品种。虽然这种技术不会完全取代传统的转基因技术（将基因从一种生物移植到另一种生物），但CRISPR是一种多功能的新工具，可以帮助更快地鉴定与所需作物性状相关的基因，并且比传统育种（基因交换）更准确地将所需的性状插入到作物中。
加州大学戴维斯分校的植物遗传学家Pamela Ronald说：“通过基因组编辑，我们绝对可以实现以前无法做到的事情”。但同时，她也提醒说，这只是作物修饰的众多工具之一，成功培育新品种仍需要多年的测试。
而这些新工具也引起了争议，近日，欧盟最高法院判定CRISPR作物应接受与传统转基因作物相同的严格监管。
2016年，四川大学华西医院卢铀教授利用CRISPR技术编辑T细胞并回输至病人体内治疗非小细胞肺癌，这是全球首个CRISPR相关的临床试验。目前，已有多项治疗癌症的CRISPR临床试验陆续开展。
近日，首个公司发起的CRISPR临床试验已经在德国开展，CRISPR Therapeutics的CXT-001拔得头筹，用于治疗β-地中海贫血。这意味着，监管部门对CRISPR基因编辑持正面态度，相信更多的CRISPR试验正蓄势待发。
此外，产前基因编辑治疗遗传性疾病也带来了突破。2017年，Nature报道中美韩研究人员成功完成首个人类胚胎的CRISPR基因编辑实验，修复了一种导致心肌肥厚症的变异。虽然质疑声音不断，但也带来了CRISPR治疗疾病更多的可能性。
最令人恐惧的公共卫生事实之一莫过于细菌耐药性。目前，开发用于致命感染的新抗生素是非常困难且昂贵的。但理论上，CRISPR/Cas9系统可以开发出比以往更精确地消灭某些细菌的抗生素（尽管如此，确定递送机制将是一项挑战）。
针对病毒，其他研究人员正在研究针对人类免疫缺陷病毒（HIV）和疱疹病毒等的CRISPR系统。CRISPR编辑T细胞使其具有抵抗HIV的能力，从而治疗艾滋病。目前，多项临床试验正在开展。
理论上，CRISPR不仅可以修饰单个生物，还可以修饰整个物种。这也是一个令人不安的概念，称为“基因驱动”。
https://v.qq.com/x/page/x07538rvoiu.html
（视频来源：VOX）
工作原理：通常情况下，每当像果蝇这样的有机体交配时，就会有50％的机会将任何给定的基因传递给它的后代。但是使用CRISPR，科学家可以改变遗传比率，以便使特定基因传递的可能性接近100％，确保特定基因短期内在整个群体中传播。
例如：通过基因改造蚊子只能产生雄性后代，然后利用基因驱动力将这种特性推向整个种群。随着时间的推移，蚊子将会灭绝。或者，可以添加一种基因，使蚊子对疟疾寄生虫具有抗性，防止疟疾的传播。
参考出处：
https://www.vox.com/2018/7/23/17594864/crispr-cas9-gene-editing
https://www.nature.com/articles/nbt.3659