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2012年6月28日，生物医学迈入了一个崭新的纪元。这一天，《科学》杂志在线发表了一篇里程碑式的论文，介绍了后来被简称为CRISPR的全新基因组编辑工具。在接下来的十年里，它颠覆了整个生物技术领域，不仅大大加速了基础科学的研发进程，也带来了许多有望从根本上治愈疾病的创新疗法。2015年，《科学》杂志将这一工具评为年度突破。2020年，带来这一技术的两名科学家也斩获了诺贝尔化学奖的殊荣。
▲这篇里程碑式的论文迄今已被引用超过14000次（图片来源：参考资料[1]）
时光荏苒。很快，距离这篇论文的发表也已经过去了十年。从细菌体内的“免疫系统”，到修改人类生命天书的“基因魔剪”，这十年里，CRISPR技术可谓是一飞冲天。展望未来，它也将继续为人类健康带来深远的影响。
意外的发现
如同科学中的许多重磅突破那样，CRISPR基因编辑技术的发现也可以说是源自意外。几十年前，一名叫做Francisco Mojica的博士生在西班牙攻读博士学位，研究一种古细菌。在分析其DNA序列时，Mojica观察到了一个有趣的现象——这些微生物的基因组里，存在许多奇怪的“回文”片段。这些片段长30个碱基，而且会不断重复。在两段重复之间，则是长约36个碱基的间隔。对于这种具有规律新的重复，Mojica先给它起了一个拗口的名字“常间回文重复序列簇集”（ClusteredRegularlyInter-SpacedPalindromicRepeats），随后又给它找了一个好记的缩写——CRISPR。
后续的研究发现CRISPR及其背后的一套复杂体系，其实是原核生物的一种“免疫系统”，用于对抗噬菌体等病毒的感染。具体来说，它能教会这些原核生物“识别”能带来致命后果的病毒，并将它们的基因信息储存在自己的基因组里。而在实际遇到这些危险的病毒后，这套系统就会使用一类叫做“CRISPR相关蛋白质”（缩写Cas）的酶对病毒的遗传序列发起攻击，让自己免受病毒感染。
法国科学家Emmanuelle Charpentier教授后来在链球菌里发现，想要让CRISPR系统起作用，不仅需要CRISPR序列和Cas蛋白，还需要另外一种叫做tracrRNA的全新RNA分子。这一发现也在2011年发布在了《自然》杂志上。为了更好地理解这一RNA分子的作用，在当年3月的一场学术会议期间，她与同样对CRISPR机制有所涉足，且在RNA研究上卓有建树的Jennifer Doudna教授，并邀请她进行学术合作，后者欣然应允。
两人的合作很快擦出了火花。仅仅是相见的一年多后，她们就阐明了CRISPR复杂系统中各个不同组成部分所扮演的角SE，并在试管中重现了这一系统在细菌体内能做的事——对目标DNA进行剪切。更为重要的是，她们表明通过对这一系统进行改造，我们可以用它在指定的位点切开任何DNA分子，便于后续的基因编辑。在诺奖委员会的新闻稿中，称这一实验是“划纪元”的。
这一工具在问世后，于生物医学领域得到了广泛应用。基础生物学家们拿它来研究各个基因的功能；植物学家们用它来改造作物，提高对疾病的耐受能力；医学研究人员们则已在开发一系列基于CRISPR的疗法，造福罹患遗传病、乃至癌症的病患。能修改生命蓝图的科学家们，正在为全人类带来更多的福祉。
▲两名科学家在论文发表的8年后拿到了诺贝尔化学奖（图片来源：The Nobel Prize in Chemistry 2020. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Fri. 24 Jun 2022. ）
任何突破新的工作都离不开大量科学家的贡献，CRISPR也不例外。在2020年诺贝尔化学奖揭晓后，《自然》杂志的一篇文章也提醒我们，这一领域的先驱还有更多：立陶宛的Virginijus ik nys教授在差不多的时间发表了关于CRISPR应用的论文，表明使用Cas9的系统可以切开预先设定的DNA序列；张锋教授与George Church教授在2013年初各自发表的论文则表明这一技术能用于人类细胞，打开了应用于人体的大门；另外一些科学家则指出，开发锌指基因组编辑技术的Dana Carroll教授算是这一领域的奠基人，也应得到更多的关注……可以肯定的是，没有所有参与者的加入，CRISPR基因编辑技术势必难以得到如此迅猛的发展。
CRISPR未来的四个方向
CRISPR技术自问世以来，已经发生了很多轮的迭代与更新。比如其针对的对象可从DNA延申至RNA；其编辑方式从依赖DNA双链断裂后的修复机制，到不引起DNA链断裂的单碱基编辑；其应用也从简单的基因编辑，扩展到了疾病检测等领域。
日前，CRISPR技术先驱之一Doudna教授在一场会议上分享了她对CRISPR技术的未来展望，指出有四大场景值得期待。首先，CRISPR将带来治疗许多疾病的疗法。“我不想说所有疾病，但可以确定的是，这个技术能为许多疾病带来影响，不仅仅是罕见疾病。”她说道。之所以这么说，是因为围绕CRISPR，已经有了许多创新。
图片来源： Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
创新之一在于科学家们已经发现了越来越多类型的Cas蛋白，比如最初研究人员们主要关注Cas9，而现在多种Cas酶正不断涌现，包括靶向RNA，可以用于疾病诊断的Cas13；能大段删除DNA，堪称DNA碎纸机的Cas3；以及体积更小，更有希望在临床上完成递送的CasX。创新之二在于大量科学家正通过生物工程技术，不断优化这些蛋白、乃至整个CRISPR 系统的功能——通过碱基编辑，我们如今能对单个核苷酸进行经准的修改；通过“机活”或是“沉默”基因，我们无需改变基因组，就能短暂调控基因的表达；而当CRISPR技术结合表观遗传学，更是可以在指定的基因启动子片段进行甲基化或是去甲基化的修饰，长久地关闭或是开启基因的表达。如今，已有不少生物技术公司正在开发这些技术，推进其走进临床。当然，要发挥这些技术的潜力，还有不少问题需要解决，譬如如何将CRISPR基因编辑工具经准地递送到想要的细胞中去。
CRISPR的第二个未来场景在于带来“现货型”的细胞和基因疗法。Doudna教授指出，细胞和基因疗法带来了高度个体化的治疗方案，而生物医要领域期待此类疗法能变得更为大众化——“如果不能应用于所有不同的人，那至少也在广泛的不同的人里有着应用。”而要实现这一目的，则必须对基因改造细胞的生产流程进行标准化。这个过程中，CRISPR基因组编辑技术无疑将成为重要的工具。
第三个未来场景是使用CRISPR技术进行诊断与新要发现，这体现的是CRISPR技术的多样新。Doudna教授提到，目前FDA已经为一些基于CRISPR的诊断技术授予了紧急使用授权。而作为一种可编程的技术，只要经过简单的调整，它就有望应用于检测来自各种病原体的各种DNA或是RNA分子。
而在新要发现方面，CRISPR的简便新使其能用于大规模的自动化筛选，找到在健康生理过程，或是致病生理过程中的关键基因，促进研究人员们找到新的靶点。这一技术还能与人工智能进行很好的结合，让机器去分析CRISPR筛选所产生的大量数据集。“我认为CRISPR与人工智能的结合已经蓄势待发，将要变革新要发现。” Doudna教授展望道。
最后一个场景，则是让CRISPR技术成为疾病预防的工具，让疾病在发生前就消弭于无形。比如我们已经知道在阿尔茨海默病或是心血管疾病中，一些基因的存在会让个体发病的风险更高，另一些基因则会降低疾病的风险。如果CRISPR能用于改造这些基因，让我们人人都自带“基因保护伞”呢？这样的未来令人振奋。
结语
在今年6月出版的《CRISPR期刊》里，杂志主编，研究CRISPR的知名学者Rodolphe Barrangou教授撰写了一篇评论文章，庆贺CRISPR论文发表十周年这一重要时刻。他在文中提到，几代科学家们花了几十年才解码了人类基因组，但CRISPR基因编辑技术从诞生到证实可应用于人类细胞，只过了短短几个月。几年后，这一技术已然能用于人类疾病的治疗，且取得了可喜的结果。医学之外，它还有望用于农业，带来更为可持续的粮食供应。
同时他也指出，CRISPR技术的横空出世并没有让所有人都做好准备。在仓促之中，研究基因组编辑的科学家们需要同时考虑技术背后的轮理，也需要为技术划定出使用的边界。我们需要拥抱新技术，也需要在这一过程中确保偷明与公平。相信在集体的智慧下，科学家们能解决CRISPR技术当下的挑战，并抓牢未来的机遇，共同开启属于基因组编辑的下一个十年。
图片来源： Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
参考资料：
[1] Martin Jinek et al., (2012), A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science, DOI: 10.1126/science.1225829
[2] Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2020, Retrieved June 24, 2022, from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/press-release/
[3] Jennifer Doudna | Four ways that CRISPR will revolutionize healthcare, Retrieved June 24, 2022, from https://www.youtube.com/watch?v=wrrHc_avAxY
[4] Rodolphe Barrangou (2022), Celebrating a Decade of CRISPR-Fueled Genome Editing, The CRISPR Journal, DOI: https://doi.org/10.1089/crispr.2022.29150.rba
[5] Pioneers of revolutionary CRISPR gene editing win chemistry Nobel, Retrieved June 24, 2022, from https://www.nature.com/articles/d41586-020-02765-9
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