造就2018-01-22 10:31:52人體已知32000種致病性基因突變，有一半能用CRISPR點對點修復。
它之於生物學和醫學的意義就猶如福特T型車之於製造業和交通運輸業，即普及了一種革命性技術，並在此過程中顛覆了現狀。
在不到5年的時間裡，被稱為CRISPR的基因編輯技術徹底改變了現代生物學的面貌和發展步伐。自從其發現、切除和替代遺傳物質的能力在2012年被首次報道以來，科學家已經發表了5，000多篇跟CRISPR有關的論文。生物醫學研究人員越來越多地利用CRISPR建立更好的疾病模型。此外，還有不計其數的公司湧現出來，試圖對基於該技術的新藥、治療手段、食品、化學品和材料進行商業化運作。
一般來說，當我們提到CRISPR時，我們實際上指的是CRISPR/Cas9，這是由單股RNA短鏈以及能夠高效切割DNA的酶組成的核糖體蛋白複合物。它之於生物學和醫學的意義就猶如福特T型車之於製造業和交通運輸業，即普及了一種革命性技術，並在此過程中顛覆了現狀。CRISPR已經被用於治療人類癌症，而利用它治療遺傳性疾病（比如鐮狀細胞性貧血和β-地中海貧血）最快可能在明年進入臨床試驗階段。
但跟T型車一樣，經典版本的CRISPR有些笨拙、不可靠，而且還有點危險。它無法靶向到基因組的任意位置，有時候它會在錯誤的地方切割。而且，它沒有“關閉”選項。如果說T型車的問題是容易過熱，那麼CRISPR的問題就是容易過度切割。
即使存在這些侷限，CRISPR仍將繼續成為2018年及以後科學研究的主力工具。但今年，更新穎、更閃亮的基因編輯工具開始亮相，有望超越第一代的CRISPR。所以，如果你才剛剛搞明白CRISPR是怎麼回事，那麼請做好準備吧，因為基因編輯2。0已經來了。
動力轉向
CRISPR的靶向切割動作是其關鍵特徵，但當Cas9切割一個生物體的雙股DNA時，這個基因編輯器會引入一種風險因素：細胞在修復那樣巨大的基因損傷時可能會犯錯。這就是為什麼科學家一直在設計新方法，以期用更安全的方式達到相同的效果。
一種方法是讓Cas9酶產生突變，使其仍能與DNA結合，但讓“剪刀”不再發揮作用。然後，其他蛋白（比如那些能夠啟用基因表達的蛋白）便可以跟廢了武功的Cas9結合，讓它們在不改變DNA序列的情況下開啟或關閉基因（有時候還會發出光或化學訊號）。不像CRISPR最適合解決簡單的點突變疾病，這種“表觀遺傳學編輯”（epigenetic editing）可以用來治療由一系列遺傳因素引起的病症。（本月早些時候，索爾克研究所的研究人員就使用了這樣的系統來治療小鼠身上的數種疾病，包括糖尿病、急性腎病以及肌營養不良。）
來自哈佛大學和博德研究所的其他科學家一直在對CRISPR系統進行更為大膽的調整：編輯單個鹼基對，一次一個。為了做到這一點，他們不得不設計出一種在自然界中不存在的全新的酶，它可以透過化學機制把A-T核苷酸對轉化為G-C核苷酸對。這是一個可能帶來巨大影響的微小變化。哈佛大學化學家大衛·劉（David Liu）領導的實驗室正在從事這項研究工作，據他估計，在人體已知的32，000種致病性點突變中，大約有一半可以透過這種單個轉換來進行修復。
“我不希望讓公眾產生一種錯誤的觀點，認為我們可以把任何人或任何動物乃至培養皿中任何細胞的任何DNA序列轉換為任何其他DNA序列，”大衛·劉說，“但即使在我們如今所處的位置，我們也承擔著很大的責任。這裡的重大問題在於，這個階段還將發展出多大的能力？以及我們能夠多快地把這些技術進步轉化為社會效益？”
踩下剎車
細菌進化出CRISPR是把它作為一種原生的防禦機制。它的作用就是找出外源DNA並徹底根除。這相當於汽車只有油門，沒有剎車，這具有潛在的危險性，尤其是對臨床應用而言。CRISPR在細胞中停留的時間越長，它找到某種看起來像是目標的基因並將之切除的機會就越多。
為了儘量減少這些所謂的脫靶效應，科學家已經開發出了一些新的工具，以更嚴密控制CRISPR的活動。
到目前為止，研究人員已經找到了21種獨特的天然抗CRISPR蛋白，這些小分子能夠阻斷CRISPR。不過，研究人員現在只知道其中一小部分的工作原理。一些蛋白可以直接跟Cas9結合，阻止它跟DNA結合。還有一些蛋白可以啟用其他酶，它們會跟Cas9爭奪基因組上的空間。目前，來自加州大學伯克利分校、加州大學舊金山分校、哈佛大學、博德研究所和多倫多大學的研究人員正在努力工作，以期找出辦法把這些天然的阻斷機制變成可程式設計的開關。
在醫學應用之外，這些“剎車”技術對基因驅動（gene drive）的持續發展也將是至關重要的，這種基因編輯技術能夠快速在種群間傳播特定的基因修飾。能夠以某種方式推動進化，這將讓我們擁有一件強有力的工具，來對抗從疾病到氣候變化的各種威脅。研究人員正在考慮利用基因驅動滅絕傳播瘧疾的蚊子，以及根除有害的入侵物種。但是，在大自然中，基因驅動有可能失去控制，並可能帶來可怕的後果。就在今年，美國國防部高階研究計劃局（DARPA）拿出6，500萬美元，用於尋找更安全的基因驅動設計，其中就包括反CRISPR的阻斷機制。
死磕Cas
儘管經過了數十年的發展進步，但對於DNA中的缺陷如何引起人類疾病，仍然有很多東西是科學家所不理解的。即使科學家知道哪些基因被編入了一個細胞的“行軍”命令中，他們也很難知道這些命令在哪裡完成傳遞，以及它們是如何在“行軍”過程中被轉譯（或誤譯）的。這就是為什麼哈佛大學和博德研究所的團隊會在CRISPR共同發現者張鋒的領導下，致力於研發一種靶向RNA而非DNA的新Cas酶。
由於RNA是細胞用來合成蛋白的指令，它們攜帶了更多有關特定疾病遺傳基礎的資訊。而且，由於RNA不斷變化，所以對其進行修改將有助於治療短期病症，比如急性炎症或創傷。研究人員把這套系統命名為REPAIR，意思是“可程式設計的腺嘌呤到肌苷RNA編輯”（RNA Editing for Programmable A to I Replacement）。目前，REPAIR僅適用於一種核苷酸轉換，下一步的工作是搞清楚如何完成另外11種潛在組合。
科學家一直在尋找新的Cas酶。博德研究所的團隊正努力描述cpf1的特性，這是Cas的一個版本，它在切割DNA後可以留下粘性的末端，而不是平的末端。今年2月，加州大學伯克利分校的一個研究小組發現了CasY和CasX，這是迄今為止最緊湊的CRISPR系統。在未來數月和數年，研究人員預計會有更多的發現。
CRISPR/Cas9是最好的CRISPR，抑或只是在一代科學家的想象中搶佔了先機，這個問題的答案只能留待時間驗證。
“我們不知道，哪個系統將能對不同的應用產生最好的效果，”梅根•赫斯特拉瑟（Megan Hochstrasser）說道，她曾在CRISPR共同發現者詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）的實驗室從事博士研究，目前任職於創新基因組學研究所（IGI），“所以，就目前而言，我認為大家努力推進所有這些工具是合理的。”
要想讓這一代的基因編輯器走出實驗室，真正應用於人類患者、糧食蔬菜以及攜帶疾病的害蟲，還需要多年的努力。而前提是，它們不會被基因編輯3。0淘汰。
翻譯：何無魚
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