漫話基因剪刀和基因編輯：細菌是功臣

基因編輯近來很火。基因編輯所用的工具叫基因剪刀。可隨便問一個不懂生物技術的人，啥叫基因剪刀，話少的人可能會說「不知道」，話多的人可能會回答，「那還用說，基因剪刀就是用來剪基因的唄，就像裁縫手裡的剪刀是用來剪布料的。」哈哈，這看似也沒錯，不過，這字面解釋好像說了跟沒說差不多。

基因剪刀與普通剪刀的區別除了是分子構成、小得看不見，摸不著，最得重要的是它們是長眼睛、智能化的，能識別剪哪裡不剪哪裡，不會亂來，所以，也可以稱它們是長眼睛的「分子手術刀」。

生命科學發展迅速，新名詞層出不窮，比如，基因編輯最近就火的不行，彷彿人的基因也快可以隨便編輯修修改改、定製人類了。其實還遠著呢，因為人類雖然完成了一些生物（包括自身）的DNA測序，但對很多能稱之為基因的DNA片段管啥的還說不清楚。

就好比一本書，每個字我們都認識，但字連起來的句子我們並不知道是啥意思，所以在很大程度上，DNA鹼基排列構成的基因序列，還像本天書。

基因剪刀的重要作用之一，是可以幫助人類搞清這本天書的意思，接下來動手腳就好辦多了。

當下時髦的基因編輯工具（俺還是習慣稱它們為基因剪刀），比如那個CRISPR/Cas9，其實與上世紀在細菌體內發現的一類核酸內切酶——限制性內切酶異曲同工。

由於限制性內切酶的發現，才開啟了基因工程的新篇章。事情大致是這樣的：

上世紀50年代，DNA雙螺旋結構被發現，60年代，揭示了遺傳密碼的秘密，然後，人類就生出了很多對基因進行「施工」，從而揭示其秘密，進而改造生命的夢想。

既然DNA在染色體上呈線性排列，基因就存在於DNA的鹼基序列之中。那麼，科學家們就可以切開一段基因，把它同另外一段基因聯結到一起，製成重組DNA，從而改變生物體的性狀。於是是重組DNA技術——偉大的基因工程就要拉開序幕啦。

要進行上述操作，基因剪切工具十分重要。DNA可不是想剪哪裡都能如願以償的。DNA既看不見也摸不著，科學家們的手再靈巧，也無法直接切割基因。需要尋找專用的基因剪刀。

幸運的是，大自然賦予了科學家們神奇的施工工具。科學家們在大腸桿菌等菌類中發現了一些小巧靈活、有很強特異性的物質，它們能夠識別DNA大分子鏈上特定的核苷酸順序，並能在一特定部位將DNA斷裂。

這種物質被稱作限制性內切酶（一種蛋白質）。這類酶脾氣很怪，見到外來DNA就剪切，切得它們不能表達相應的蛋白質，從而起到限制外來DNA進入，成功抵禦外來入侵的作用，因而得名。原來是細菌的免疫防禦系統中得到的啟示啊。

別小看細菌等微生物，它們可研究利用的地方多著呢。

目前發現的限制性內切酶有好多種，每一種都有極強的特異性，可以準確無誤地進行核苷酸的識別，決不會錯切一刀。可以說，限制性酶切酶是世界上最小、最靈巧的分子剪刀。

藉助於基因「剪刀」的幫助，科學家們可以從提取出的DNA片斷中得到想要的一段。也可以有目的地從DNA長鏈中針對某些基因進行敲除或促其突變，從而通過觀察基因缺失引起的表型變化，推測該基因的生物學功能，為人類完全讀懂基因天書、改造生命奠定基礎。

目前基因編輯技術中最常提到的應用比較成功的基因敲除（剪切）工具當屬CRISPR/Cas9，這把刀很厲害，就是名字太長，也不那麼好記，算了，還是不提了。免得一大串艱澀的名詞出來看著眼暈。

CRISPR/Cas9的出身同樣離不開細菌。

在生命進化歷史上，細菌和病毒進行鬥爭產生了強大的免疫武器，簡單說就是病毒能把自己的基因整合到細菌，利用細菌的細胞工具為自己的基因複製服務，細菌則為了將病毒的外來入侵基因清除，進化出CRISPR系統，利用這個系統，細菌可以不動聲色地把病毒基因從自己的染色體上切除，這是細菌特有的免疫系統。

大自然的鬼斧神工啊，真的難以想像這些人類看不起的微生物是如何做到的！生命科學的進展離不開從自然界生命中獲得資源和靈感。

CRISPR 其實在絕大多數細菌和古細菌中都普遍存在，直到2005年，這一機制才逐漸被科學家們認識到。

天賜良緣。科學家們經過優化，利用細菌的這套防禦系統，製造出了CRISPR/Cas9基因編輯超級剪刀。2013年，這把厲害的基因剪刀得到廣泛應用。

CRISPR/Cas9工作原理簡單說，就是利用具有引導作用的單鏈gRNA(Guide RNA)引導核酸酶Cas蛋白（限制性內切酶）在與gRNA配對的靶位點處剪切雙鏈DNA，引起DNA雙鏈斷裂（DSB）。

既然基因被剪切斷了，生物體就要想辦法修復，這一修復，八成得亂套，基因不是移碼突變，就是被替換或刪除，致使基因功能喪失。基因功能喪失，當然也就不能指導相應的蛋白質合成，從而對生物系統產生影響（要是能阻止腫瘤細胞蛋白質合成，豈不是天大的好事）。

哎，這樣講還是顯得有些複雜，沒辦法，再簡單真說不容易清楚了。基因編輯有點高深，一般人也不需要了解那麼多吧。

CRISPR/Cas9這把基因剪刀最大的好處就是證明可以有效剪切哺乳動物、植物、鳥類、昆蟲、魚類、微生物等多種生物DNA。因此，基於CRISPR/Cas9基因編輯已具體應用於這些生物領域，有望針對他們展開低成本快速基因編輯，創造更多基因工程的奇蹟，被認為前景廣泛。

具體詳情，下篇再試述。

總之，基因編輯不但需要長眼睛的智能剪刀，也需要漿糊，需要搬運工具、載體，等等。其中，細菌等微生物功不可沒，咱其實是個微生物的崇拜者呢（才一口吞下2.4億個細菌）。

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