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启封-上帝的金手指

iSynBio造物

2024-01-04

导读：CRISPR系统是一把改变生命的基因剪刀，也是一把考验生命的基因剪刀。

异变

一切都在有序进行，毫无紊乱。我已经记不清从什么时候开始的，也不知道重复这个程序多少次了：吸附，注入，复制，装配，第释放，也许几亿次了，也许亿万次了。

………

然而，似乎出现了某种差错。程序突然中断了，这是千百万年来首次出现的不稳定。

这是千百万年来首次出现的不稳定，我，第一次感受到了恐惧。

之后的日子，程序不知为何总是中断。

它，这种“低等生物”，难道也有了自己的免疫系统？

这样的事情在不断的发生着…….

直到1987年。那是在一个海岛上，不大不小，有个人，他们称之为Yoshizumi Ishino，在大肠杆菌中发现了一系列不寻常的重复程序。这些程序散布在不同的位置，被一些小程序分隔开来，不过他们人类似乎还不知道这是什么，而我好像从这里面看到了先祖的身影。

随后，Francisco Mojica和Ruud Jansen在其他的细菌中也发现了类似的程序，Jansen等人把这些程序叫做CRISPR序列。（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，簇状规则间隔的短回文重复序列）

图1，CRISPR基因座的结构

20年弹指一挥间，在一家丹麦的食品公司，Rodolphe Barrangou和Philippe Horvath在嗜热链球菌中发现了这些重复序列能抵御噬菌体的入侵。

当把这些重复程序添加到嗜热链球菌中时，竟然可以引起了对嗜热链球菌相应新型噬菌体的获得性免疫，而去除或添加特定的这些重复程序则会改变细菌对噬菌体抗性。

我们是噬菌体，我们的程序，被细菌所“免疫”了。

那时程序的第一次意外中断就是如此，我们的信息被宿主截取了。

我们的程序成为了对付我们的武器，就像人类的抗体和抗原。

星星之火

2002年，科学家们发现了位于CRISPR附近的一些基因，在不同的菌种之间普遍相似。

他们鉴定出了4种这样的基因。这些基因被他们叫做CRISPR-associated sequence即Cas。而基因所编码的蛋白被叫做Cas蛋白，其中两个蛋白质具有解旋酶和核酸酶的特征（Cas3具有解旋酶的活性；Cas4的功能则似乎与核酸外切酶相似。）

科学家发现了在不同物种中，CRISPR附近的一些基因具有普遍的相似性，这些基因被称为CRISPR相关序列（CRISPR-associated sequence，Cas）。

这些基因所编码的蛋白质被叫做Cas蛋白，其中两个蛋白质具有解旋酶和核酸酶的特征。

解旋酶是一种可以打开DNA双链的酶，核酸酶是一种可以切割DNA或RNA的酶。科学家立刻意识到，这些基因可能与CRISPR的功能有关，但还不确定它们是如何工作的。

2005年，Jansen首次发现了Cas9蛋白，是一种可以切割DNA内切酶。后续研究中，其他研究者发现，Cas9可以与CRISPR重复序列形成一个复合物，这个复合物可以识别和切割噬菌体的DNA，从而保护细菌免受噬菌体的感染。

Jansen等人第一次发现了CRISPR系统的一个核心组件，这也是后来基因编辑技术的基础。

人类似乎总是想把所有的事情都打破砂锅问到底。

2008年，荷兰瓦赫宁根大学科学家John van der Oost发现CRISPR位点转录的经过加工的产物（RNA）能够将原核细菌中免疫系统中的蛋白质引导到具有遗传信息的外来分子上，John van der Oost叫它crRNA (CRISPR-associated RNA，CRISPR 相关RNA)。

同时另一项研究证明与靶DNA互补的crRNA序列是CRISPR-Cas复合物发挥功能所必须的。

人类种群中有一些杰出的人物，比如，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna。

两人推测crRNA是识别噬菌体DNA所需的，而Cas9则是能够切割DNA分子的“剪刀”。然而当她们进行体外测试时，什么都没有发生——DNA分子依然完整无损。

是实验条件有问题吗？

还是Cas9有完全不同的功能？

亦或是她们的推测根本就是错误的？

Emmanuelle Charpentier在2011年完成了这个拼图最后一个缺失的一部分（见图2），没有它就不可能在体外组装一个有效的CRISPR-Cas9系统。

tracrRNA（反式编码crRNA）是这块版图的最后一张拼图，tracrRNA的发现源于Emmanuelle Charpentier在2011年研究化脓性链球菌时的意外收获。

她在对这种对人类造成最大伤害的细菌进行深入研究的过程中，发现了一种以前未知的分子tracrRNA。

tracrRNA与crRNA的最终成型有关。这个短RNA分子对核酸酶活性至关重要——tracrRNA和pre-crRNA通过碱基配对作用结合，并与Cas9结合，成为具有DNA切割能力的复合体。

图 2 CRISPR-Cas9系统组件时间表

当把tracrRNA加入反应后…..

奇迹发生了，二人惊喜地发现，DNA分子正好在预期的位置被剪断了，就像用一把剪刀切开了一条绳子一样。

此时，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna敏锐地意识到，他们已经找到了一个可以定制的基因编辑工具，只要改变crRNA的间隔序列，就可以让CRISPR-Cas9复合物识别和切割任意的DNA目标。

他们把crRNA和tracrRNA用一个简单的序列连接成一个分子，也就是单链向导RNA（sgRNA），用这个简化版的“基因剪刀”进行了一项革命性的实验：通过控制这一遗传工具，使其在预定的位置进行DNA精确切割。

为了检验其有效性，他们选定了五个不同的基因位点，并按照计划在这些位点进行切割。同时他们还更改“剪刀”的配对部分，使工具能准确识别并剪切目标DNA序列。结果令人震惊：所有的DNA分子在预期的位点上都被精准地切割了。

图 3 CRISPR系统作用机制示意图

没错，“基因剪刀”诞生了。

历史将会证明这一辉煌的时刻。

亿万年前的那次扰动，穿透时光的迷雾，有如星星之火，如今燎原大地。

就像人类祖先在非洲草原上第一次仰望天空，就注定他们的征途是星辰大海。

8年后，也就是2020年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因为发现了基因操作中最尖锐的工具——CRISPR/Cas9 基因剪刀，被授予诺贝尔化学奖。他们的发现引发了一场基因编辑的革命，物种间的隔离被打破，生命间的齿轮开始转动。

机遇与挑战

基因是生命的密码，也是生命的选择。CRISPR系统是一把改变生命的基因剪刀，也是一把考验生命的基因剪刀。

“基因剪刀”打开了通往未来的大门。基因编辑正在成为治疗疾病新的技术手段。纳米机器人正在精准修复细胞，甚至可以在体内执行微创手术。癌症、糖尿病等曾经无法治愈的疾病，也正在变得可控可治。

然而，这把上帝之剪也引发了人类深刻的思考。随着基因编辑的日益普及，社会面临着前所未有的伦理挑战。个体的分子信息安全成为焦点，基因编辑技术的滥用也引发了一场伦理危机。

在这个风云变幻的未来中，人们在探索和防范之间艰难平衡，思考着基因编辑给人类社会带来的机遇和挑战。基因编辑如同一把双刃剑，塑造着新的明天，同时也对人类的智慧和道德提出了深刻的考验。

参考文献：

1. Gostimskaya, I., CRISPR-Cas9: A History of Its Discovery and Ethical Considerations of Its Use in Genome Editing. Biochemistry-Moscow, 2022. 87(8): p. 777-788.

2. Mojica, F.J.M., et al., Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements. Journal of Molecular Evolution, 2005. 60(2): p. 174-182.

3. Bolotin, A., et al., Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin. Microbiology-Sgm, 2005. 151: p. 2551-2561.

4. Ishino, Y., et al., Nucleotide-Sequence of the Iap Gene, Responsible for Alkaline-Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia-Coli, and Identification of the Gene-Product. Journal of Bacteriology, 1987. 169(12): p. 5429-5433.

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作者/李毛龙

审核/未央

编辑/麦璇风

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