号称基因魔剪的CRISPR到底是什么 ？它与ZFNs、TALENs有何不同？
CRISPR/Cas的开发者美国生物化学家Jennifer Doudna 曾说：“CRISPR 就像一把瑞士军刀，它拥有什么样的功能完全取决于我们如何使用它。”
那么到底什么是CRISPR？
CRISPR 是成簇的规律间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的缩写，这是一系列具有特定、可识别格式的遗传密码。它们包含一个反复出现的序列，然后这个序列每次都颠倒出现；因此称之为“回文”。
所谓回文是指无论顺读还是逆着读意思都相同的单词；回文在DNA 中很常见。有些是我们遗传密码受损的备份，而另一些则常见于癌症突变。
CRISPR/Cas——古老的细菌免疫系统
CRISPR/Cas系统建立在细菌对病毒入侵的免疫之上，属于一种自然进化。
为了抵御外来威胁，细菌形成了一套防御病毒入侵的“ 免疫系统 ” ——CRISPR/Cas系统。其中
Cas（CRISPR associated）是CRISPR伴随基因的缩写，它可以随着CRISPR一起进化，Cas基因能够激活Cas酶，执行切割DNA的作用。
CRISPR首次被发现是在大肠杆菌中，研究人员在一些被病毒攻击而幸存下来的大肠杆菌当中发现一个奇怪的现象，这些大肠杆菌会将一些病毒的DNA 整合到自己的基因组中；这些插入的基因又被称为“间隔子”。
当然，科学家们也认识到这并不是大肠杆菌独有的现象，在1980年到2000年之间，科学家们发现许多细菌和单细胞生物都以这种方式结合了病毒DNA。
细胞使用这些序列作为模板来转录 RNA 的互补链。当与模板序列匹配的病毒进入细胞时，互补 RNA 会与它们结合，并引导一系列 CRISPR 或相关酶“Cas”酶进行攻击——在结合位点切割入侵者 DNA。以此消除病毒威胁。
基于CRISPR-Cas系统改造的诺贝尔奖——CRISPR-Cas9
2012 年，法国微生物学家 Emmanuelle Charpentier 和美国生物化学家 Jennifer Doudna 发现了一种Cas 酶——CRISPR 相关蛋白 9（Cas9），Cas9可以在向导 RNA的定位下切割基因组的几乎任何部分。向导 RNA：这是在实验室中设计的，定位目标基因的一部分RNA序列。
由于这个惊人的发现，使得Charpentier 和 Doudna 获得了 2020 年的诺贝尔化学奖。
作为第三代基因编辑技术它与ZFNs、TALENs有何不同？
锌指核酸酶技术ZFNs：
作为第一代基因编辑技术，ZFN基本结构为锌指蛋白结合一个特异的三联体碱基以识别靶DNA，其切割部分为限制性内切酶 Fok1 ，特异性高，免疫原性低，但设计简易性差同时脱靶率高会导致细胞毒性。
转录激活样效应因子技术TALENs：
基本结构为与基因组位点特异性结构域融合的非特异性 DNA 核酸酶，是第二代基因编辑技术，与上一代技术相比，其能更大程度上的地避免功能蛋白脱靶。使用起来更简单、构建更迅速，并且价格更低廉。但是组装复杂。
CRISPR-Cas9技术：
由向导 RNA 和 Cas 核酸酶组成,与前两代基因编辑技术相比，CRISPR/Cas 系统有很多优势 ：
①设计简单。CRISPR-Cas 系统不像 ZFNs 和 TALENs 是依赖于蛋白与靶DNA 之间的识别，而是由向导 RNA 和靶DNA之间形成核糖核苷酸复合物，利用核糖核苷酸识别靶向基因。
②效率高，成本低。
③可同时进行多基因突变操作。
Fengxue Xin等人在《in Current Developments in Biotechnology and Bioengineering》一文中简单梳理了现代基因编辑技术 ZFNs、TALENs 和 CRISPR/Cas9 之间的区别。如下
CRISPR 大多应用于动物试验，例如合成抗病的鸡和猪，以及设计出不能咬人或产卵的蚊子。还有很多尚在进行中的研究项目，比如利用基因改造生产抗病的农作物等。大胆的研究者们还致力于对猪进行基因改造，以便将它们的器官移植到人类身上；甚至还有人试图通过调整类似鸟类的基因组，恢复旅鸽等已灭绝的物种。
当然想法固然是好的，但CRISPR 也有它的局限性：有可能造成脱靶；引发伦理问题等。
参考资料：
https://www.scientificamerican.com/video/what-is-crispr-and-why-is-it-so-important/
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/synthetic-biology
编辑部建立了多个合成生物学相关微信群，欢迎加入交流：
合作、交流、加群，添加编辑
（加好友，务必备注：姓名+公司+职务）