就像人类一样，细菌也会生病。有些细菌拥有自己的防御系统——CRISPR/Cas9，从而保护自身不被病毒感染。在过去的十年里，科研人员对CRISPR进行了改造，从而能够在实验室内编辑不同生物的DNA。这篇文章将介绍CRISPR/Cas9的基本原理和初步应用。需要注意的是，任何使用CRISPR/Cas9的实验都必须遵从道德规范，科研人员需要确保研究尊重人权、动物福利并遵守法律。


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细菌是如何防御病毒的

没有人喜欢生病，更没人喜欢咳嗽、打喷嚏、发烧和头疼。这些反应是我们自身的免疫系统在对抗入侵的病原体，包括病毒、细菌等等。不过，有些病毒也可以感染细菌，它们被称为噬菌体（bacteriophage）。虽然与人类的免疫系统有很大不同，但细菌也有一个防御系统，保护它们免受感染。这个系统就是CRISPR/Cas9 [1]。

当噬菌体感染细菌时，噬菌体会将自身的DNA注入细菌。细菌识别到这些入侵的DNA，并在CRISPR/Cas9的帮助下将噬菌体的DNA切成碎片，从而避免DNA起效并阻止感染。之后，细菌会保留一些碎片，当下一次相同的噬菌体再次感染时，细菌就能迅速识别并更快地作出反应。

CRISPR的全称是“规律间隔成簇的短回文重复序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）。这个名字很拗口，不过恰如其分地解释了这个系统的特点。

就像绝大多数生物一样，细菌也使用DNA作为自己的遗传物质。DNA由四种不同的核苷酸构成，用英文字母表示就是A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）。这些字母的排列决定了生物体的遗传信息和大多数性状，就像是生命的“源代码”。有些排列方式则可以构成回文序列，就像“上海自来水来自海上”这样，DNA的回文序列就像是“TAGCGAT”这样。

CRISPR的序列都是较短的回文序列。这些回文序列会在一些临近的区域重复多次出现，因此称为“成簇”和“重复”。然而，这些序列之间还有一些其它序列将其隔开，这些其它序列被称为“间隔”。合并起来，CRISPR就叫作“规律间隔成簇的短回文重复序列”。而Cas9是在CRISPR系统中起关键作用的一种蛋白质。


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CRISPR/Cas9有什么用

那么，CRISPR是如何帮助科研人员编辑DNA的呢？实际上，这是一项非常重要的科学突破，2020年的诺贝尔化学奖就颁发给了改造这套系统的两位科学家：Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna（图1）。

图1 - 2020年诺贝尔化学奖。

如前所说，组成DNA的核苷酸的排列方式决定了生物体大多数的性状。不同的性状是由不同的基因决定的，基因就是一小段“有用”的DNA。比如说，如果我们知道一个基因控制着狗狗毛发的颜色，那么改变这个基因中核苷酸的排列方式，毛发的颜色就会发生变化（图2）。

图2 - 要理解CRISPR/Cas9编辑基因的原理，首先需要了解这个系统的各个组成部分。

科研人员需要先确定他们想要编辑的基因是什么，以及他们想要实现的功能。这项工作可以通过生物信息学手段来开展研究。在知道基因序列后，研究人员就需要设计一段引导RNA（guide RNA，gRNA），并使用Cas9这种特殊的蛋白质。Cas9就像是一把分子剪刀，它能剪开DNA，但是需要gRNA来定位。gRNA是根据目标基因来设计的一段特殊的核酸序列，它能够和要编辑的基因序列互补结合，从而给Cas9提供“GPS坐标”，让Cas9到达正确的位置（图3A）。gRNA包含了一个称作PAM的位点，这就是给Cas9的“信号”，让Cas9能找到gRNA并在指定的位置切割DNA（图3B）。

切割完成后还需要一段修复模板（repair template），这是一段包含新序列的DNA，它能够结合到剪开的位置，并在其它蛋白的帮助下，在原基因的位置生成新的序列（图3C）。这样，科研人员就可以复制、粘贴、添加或删除DNA序列的部分内容，就像在word文档中编辑句子一样！比如，假如研究人员想要在一个基因中插入ATGCTA这个序列，那么修复模板将包含ATGCTA，并在其两端添加与原始基因相匹配的DNA，从而告诉修复模板该去哪儿。这样，在DNA修复完成后，新的序列就会粘贴到DNA上的目标位置（图3D），从而得到编辑好的基因。

图3 - 使用 CRISPR/Cas9 编辑基因。

那么，有了CRISPR/Cas9基因编辑工具，它能用来做什么呢？图4展示了一些例子。目前，CRISPR最常应用在实验室环境中的细菌、酵母、线虫、植物和小鼠上[2]，从而让科学家们理解许多基因的功能。由于人类的许多基因和动物同源，科学家也因而得以推测相关基因在人体内的作用。

图4 - 基因编辑的应用。

有些人类疾病是由于DNA的错误所引起的，它们可以一代一代地传递下去。科学家和医生们正合作使用CRISPR/Cas9来尝试治疗由于DNA错误所引起的这些疾病，这种疗法被称为基因疗法(gene therapy)。基因疗法是一个崭新的事物，目前还没有在人体上完全测试过。不过，如果CRISPR/Cas9基因疗法能够体现出对人体的安全性，那么它或许将成为一种极有价值的方法，从而治疗并治愈遗传病人。

另一方面，一些商业公司也尝试使用基因编辑技术来创造新的产品。比如，一些研究者正尝试改变番茄的DNA，使其能产生辣椒素（capsaicin），让番茄体现出甜辣的味道。辣椒酱的口感将变得更加丰富！其他科学家也在使用CRISPR/Cas9来开发新的玉米品种，从而让它们在气候干旱、热浪侵袭的条件下也能正常生长，这或许有助于解决全球粮食危机。

一些科学家还相信，他们可以使用CRISPR/Cas9来使已灭绝的动物复生！想象一下，如果能看到活生生的猛犸象或恐龙四处走动，那该有多酷！一些科学家已经成功使用CRISPR/Cas9改变了大象的细胞，使其含有已灭绝的猛犸象的DNA，从而有助于让大象跟猛犸象一样拥有毛茸茸的皮毛，在寒冷的天气中更好地生存。


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关乎道德的选择

尽管CRISPR/Cas9的应用前景令人遐想，但科学家群体正呼吁着国际社会立法规范这一技术的应用。任何技术的使用都应以安全和伦理作为前提。科研伦理是规范科学家行为的道德准则，它约束着科学成果必须保护公众的健康和安全，确保每一项研究都合乎人权、动物福利和法律规章，从而防止拥有先进技术的科学家伤害到人、动物或是环境。由于CRISPR/Cas9简单易行、成本低廉，几乎很难控制这项技术的使用者和使用目的[3]。从当前的情况考虑，只有出于预防或治疗现有疾病使用CRISPR/Cas9才被认为是合乎伦理的；出于其它目的的使用仍具有很大的争议，比如复活一只猛犸象。

目前的CRISPR/Cas9还不能做到非常精准的基因编辑。CRISPR/Cas9可能会结合到错误的位置，从而编辑了其它的基因，并带来一系列后果，这被称为脱靶效应。你会愿意在你的后代出生前编辑一个基因，而一个错误的编辑可能导致严重的后果吗？绝大多数科学家反对这样巨大的风险[4]。

科学研究必须考虑潜在的危害，特别是当这项技术被不负责任地滥用时，其带来的后果对于被编辑的个体而言可能是毁灭性的。出于这个原因，世界卫生组织和其它机构正紧密地监控、审查人类基因编辑的研究项目，确保这些研究都遵守恰当的规范。


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总结

CRISPR/Cas9系统使细菌免受病毒侵害。现在，科学家也用它来在实验室里编辑DNA，这有助于我们更多地理解DNA的工作原理，并能治疗疾病、开发新产品。如果以负责任的方式使用CRISPR/Cas9技术，它有很多好处。然而，研究必须遵循伦理规则，以确保没有人在这个过程中受到伤害。有时，新技术的发展太快了，以至于科学家和政策制定者都没来得及反应。因此，科学家在努力改善人类生活的同时，必须始终思考自己所做事情的风险。


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参考资料

[0] Marnik E, Bautista C, Drangowska-Way A, Simopoulos C and Merritt T (2021) CRISPR: A New Way for Scientists to Edit DNA. Front. Young Minds. 9:600133. doi: 10.3389/frym.2021.600133 [licensed under CC-BY]

[1] Hsu, P. D., Lander, E. S., and Zhang, F. 2014. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell 157:1262–78. doi: 10.1016/j.cell.2014.05.010

[2] Zhang, S., Guo, F., Yan, W., Dai, Z., Dong, W., Zhou, J., et al. 2019. Recent advances of CRISPR/Cas9-based genetic engineering and transcriptional regulation in industrial biology. Front. Bioeng. Biotechnol. 7:459. doi: 10.3389/fbioe.2019.00459

[3] Brokowski, C., and Adli, M. 2019. CRISPR ethics: moral considerations for applications of a powerful tool. JMB 431:88–101. doi: 10.1016/j.jmb.2018.05.044

[4] Cyranoski, D. 2019. The CRISPR-baby scandal: what’s next for human gene-editing. Nature. 566:440–42. doi: 10.1038/d41586-019-00673-1