基因編輯的神奇剪刀—CRISPR
基因編輯作為一種研究手段，已成為實驗室的科研日常。社會上關於基因編輯生物的爭議雖仍沸沸揚揚，但在現代生物學研究中，經過基因編輯的各種生物早已經成為實驗室的重要實驗對象，在科研中發揮著不可替代的作用。
而在前沿基因編輯方式中，CRISPR系統（以及它的助手——蛋白質Cas 9）又佔有舉足輕重的地位。儘管距離它在Nature上作為最新研究成果發表只有短短几年（發表於2013年），CRISPR已經成為整個生物學界基因編輯的重要工具。那麼，這個傳奇的CRISPR是什麼？
談CRISPR之前，先來談一下基因編輯。基因決定了生物的絕大多數性狀。要想讓生物展現出新的性狀，基因編輯，即改變基因是很有效的方法。
圖1.1基因編輯過程
（形象化表述，基因實際尺度要小很多）
基因編輯就像是做剪報一樣，基本過程如圖1，但是因為基因實在太小（承載整個基因組的DNA的大小只有頭髮絲粗細的十分之一），在操作時必須要藉助同樣無法用肉眼看到的「分子工具」。在進行編輯時，首先用剪刀——限制性核酸內切酶或者其他方式——從模板DNA上剪下目的基因，然後再剪開受體DNA相應部位（圖1.1）。當基因供體和受體都剪開後，就具備了拼接的條件。然後把剪下的片段用膠水——DNA連接酶——粘在一起，就實現了對原有基因的編輯。這就是基因編輯的基本過程。
CRISPR，全稱為「規律成簇間隔短迴文重複序列」（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）。概括來說，整個CRISPR系統就像制導導彈——Cas蛋白質作為「導彈」，有著實際切割作用；而以「短重複序列」為核心的sgRNA負責「制導」。在對於不同的基因的編輯中，Cas蛋白質是不變的。而sgRNA會隨著目標區域變化而變化。具體過程如圖2，首先，在細胞內不同位置合成的sgRNA與Cas蛋白先進行組裝，成為完整的基因編輯工具。CRISPR複合體識別DNA上的PAM（一段很短的DNA序列，以至於到處都是），當識別到PAM之後，進行DNA局部解旋，暴露出內部鹼基。然後sgRNA識別長長的DNA上的一小段（約20個鹼基對長），並在識別後進行制導——引導CRISPR的複合體（即組裝完成的導彈）與目標DNA區域進行結合。在結合後，Cas蛋白質對sgRNA引導的結合位點進行「轟炸」（即切割DNA），這樣就實現了基因的定點切割，為後面的基因編輯操作打下了基礎。
圖2 CRISPR 系統的作用機制
圖3 圖中最前面的黑色塊代表的基因
和後面的 間隔片段和重複片段
一起構成了sgRNA
中間的Cas 基因控制Cas 蛋白的合成
CRISPR系統的優越性體現在以下兩點：
一，前代技術ZFN（鋅指）和TALEN （類轉錄激活因子效應物核酸酶）在設計時，需要針對不同目標基因編寫不同的識別序列，從而合成特異的識別蛋白，而構造有特定功能的蛋白是一件很困難且費力的事。而 CRISPR-Cas 系統直接使用RNA做嚮導，在設計時只需要改變一段短的 RNA序列（sgRNA），即可相對穩定地識別不同的目的基因，省時省力省錢，更快更高更強。
二，CRISPR- Cas 系統可輕鬆地同時剪切目的基因的上多個位點，而ZFN和TALEN如果用來同時剪切多個位點，難度和時間成本將會大大提高。這兩點已足以讓它成為革命性的新基因編輯方式。
但也要清晰的看到，因為研究時間並不長，在這個過程中的一些具體機理還未被完全闡釋。此外，CRISPR系統在編輯基因的過程中的「脫靶」的問題一直存在：前文提到PAM序列在整個基因上到處都是，於是，有時會有結合到目標位點之外的地方，而如果意外結合點後面的序列又和目標位點序列比較相似，就有著sgRNA也能結合上的可能。那樣的話就會在這個意外結合點上切開，即所謂「脫靶」。
最後做一點有趣的補充：這個現在被人類用於編輯基因的系統，竟然是遠古生物的免疫防禦機制。當這些細菌或古細菌受到病毒感染、外源 DNA入侵時，會拷貝入侵者的一段遺傳密碼，將它插入到自身的DNA 中，成為一段控制sgRNA合成的DNA片段，並與基因組DNA一起傳遞給後代。如果在未來遇到相同的入侵者，運作中的Cas蛋白質會在 sgRNA 引導下，在靶位點切割入侵者的DNA ，以此消滅或抵禦它。
從這個角度來說，這個系統的發現，又一次證明了生物多樣性是人類取之不盡用之不竭的寶庫。人們發展過程中面臨的許多問題，說不定答案就藏在某種生物的「生命天書」中。一方面我們要學會謙虛，向自然學習；另一方面也要加強生物多樣性保護，為後續的研究留下足夠的潛在資源。這不僅是為了自然，也是為了人類自己！
（PS.在文中沒有特別標明基因編輯和轉基因的界限，小編覺得過於糾結名詞辨析也沒太大意思啦）
參考文獻：
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[2]劉志國.CRISPR/Cas9系統介導基因組編輯的研究進展[J].畜牧獸醫學報,2014,45(10):1567-1583.
[3]謝勝松,張懿,張利生,李廣磊,趙長志,倪攀,趙書紅.CRISPR/Cas9系統中sgRNA設計與脫靶效應評估[J].遺傳,2015,37(11):1125-1136
[4]基因編輯新技術研究進展 劉 蓓，尉 瑋，王麗華 ( 福建農林大學蜂學學院，福建 福州 350002)
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