為何基因編輯技術CRISPR會讓世人如此興奮？

基因編輯技術

CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）問世已經五周年了，在生物醫學研究領域也引起了極大的轟動和一系列倫理學疑問。但是這一項技術到底是什麼？如何發揮作用？怎麼改變醫學實踐的？——這些你都知道嘛？

2017年8月10號一篇發表在JAMA的論點文章詳細地介紹了CRISPR技術的來源、原理、以及應用前景。

以下是其詳細內容：

一、 基因編輯的發展史

生物醫學科學家長久以來一直試圖去「編輯」基因。DNA重組技術使得特殊的基因能夠嵌入質粒（環狀DNA）或者病毒中。眾所周知，細菌和酵母細胞能夠產生很多具有治療價值的蛋白，病毒載體也可以在人類身上進行基因靶向治療。靶向基因以及小干擾RNA甚至能夠特定性的敲低某一基因或者在基因損傷位點插入健康的基因。一些鋅指結構的蛋白和轉錄活化的受體核酸酶已經可以精確地改變特定的基因。而後CRISPR也出現了，相比之前那些技術，CRISPR更加的簡單、快速、便宜、高效。

二、CRISPR如何發揮作用？

CRISPR技術使用一段序列特異性嚮導RNA分子（sequence-specific guide RNA）引導核酸內切酶到靶點處，從而完成基因組的編輯。具體分為兩個步驟： crRNA的合成及在crRNA引導下的RNA結合與剪切。

1.crRNA的生物學合成

CRISPR區域第一個重複序列上游有一段CRISPR的前導序列（Leader sequence），該序列作為啟動子來啟動後續CRISPR序列的轉錄，轉錄生成的RNA被命名為CRISPRRNA（簡稱crRNA）。

2.RNA的結合與剪切

CRISPR/Cas系統中crRNA與tracrRNA（反式激活的crRNA）形成嵌合RNA分子，即單嚮導RNA（Single guide RNA,sgRNA）。sgRNA可以介導Cas9蛋白在特定序列處進行切割，形成DNA雙鏈斷裂（Double-Stranded Break, DSB），完成基因定向編輯等的各類操作。

三、 CRISPR在活體組織中的應用

編碼CRISPR 信使RNA或者CRISPR蛋白（例如Cas9）的DNA序列可經病毒載體、脂質納米體或者其它方式直接導入機體內。通常來說，希望CRISPR僅僅到底指定的細胞，例如為了產生血紅蛋白A而不是血紅蛋白S的話，應該直接到達造血幹細胞中。

然而將CRISPR傳靶向傳遞到某一組織是極其困難的。解決方案之一是在實驗室編輯靶組織細胞（例如造血幹細胞），再使其擴增，最後將編輯好的細胞重新灌輸到組織中，這樣CRISPR就可以順利找到它的目的地了。

四、CRISPR技術的限制

CRISPR技術可以實現驚人的準確編輯，但是它並不是完美的。有時候，非目的核酸序列會被編輯——所謂的脫靶效應。這種情況比想像中發生的多。此外，一些基因缺陷能夠提高某一的疾病發生風險，同時又能降低另一疾病的風險性。例如，患鐮刀型細胞疾病的人群對於瘧疾十分敏感，當修復好血紅細胞S解決這一問題後，又出現了其他的癥狀。

五、CRISPR技術是如何影響生物學研究的？

CRISPR技術在植物以及微生物的基因研究中已經得到了轉化。在許多動物模型中，例如果蠅、蠕蟲以及斑馬魚，這項技術也極大的輔助了實驗研究。而轉基因鼠作為醫學研究的必備工具，CRISPR技術使得其製備過程發生了革命性的變化。並且如今的CRISPR技術已經能夠編輯靈長類的基因組了。

六、CRISPR技術如何在更廣闊的領域影響人類健康？

CRISPR技術可以用來製造抵抗各類疾病的動植物；可以用來製造能夠產生治療性人源蛋白的動物「生物反應器」（例如：豬和牛）；同時可以製造為人類提供器官供體的豬（例如心臟瓣膜組織），這些器官到人體中不會發生免疫排斥反應。理論上講，CRISPR技術甚至可以讓全世界的蚊子不攜帶各種人源性的病毒。

CRISPR技術的發明已經給生物醫學研究帶來了巨大的影響，並且也開始滲入醫學實踐中。當初發明這一項技術科學家們可能沒有想到它的用處如此之大、影響範圍如此之廣。他們說：「每解開一個科學謎團，預示著一個實驗的結束——以及其他許多實驗的開始「。

參考文獻：

[1]A L Komaroff. Gene Editing Using CRISPR: Why the Excitement?[J]. JAMA, 2017.

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