(Cas9是動(dòng)物體內執行這種任務(wù)的最佳酶CRISPR-Cas9是指切割動(dòng)物和人類(lèi)DNA的Cas酶的種類(lèi))http://tech.ifeng.com/a/20180223/44885418_0.shtml
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?編者按：什么是CRISPR？ 科學(xué)界為什么對于其潛在的應用如此著(zhù)迷？這種技術(shù)和古老的細菌防御系統有什么聯(lián)系？它又將如何影響我們周?chē)氖澜?？本文編譯自CBInsights上原標題為What Is CRISPR?的文章。
想象一下未來(lái)，父母可以定制寶寶的樣子，選擇未出世孩子的身高和眼睛顏色。所有特質(zhì)都可以根據個(gè)人喜好定制：家養寵物的大小，植物的壽命等。
這聽(tīng)起來(lái)像是反烏托邦科幻小說(shuō)，但其實(shí)這并不是遙不可及。
2012年，科學(xué)家們首次發(fā)現CRISPR，并對CRISPR（也稱(chēng)為Cas9或CRISPR-Cas9）的應用感到驚訝。
CRISPR可能會(huì )徹底改變我們應對一些問(wèn)題的方法，如癌癥，食物短缺和器官移植。 在最近的報告中，CRISPR甚至可以被用作診斷疾病的工具。 但是，與任何新技術(shù)一樣，它也可能會(huì )導致意想不到的問(wèn)題。
不斷變化的DNA - 生命的代碼 - 將不可避免地導致一系列難以預想的后果。 社會(huì )和各行業(yè)如果不了解CRISPR的基礎知識，就無(wú)法應用這項技術(shù)。
接下來(lái)，讓我們從其定義，應用和局限性深入了解CRISPR。
什么是CRISPR？
CRISPR是細菌遺傳密碼及其免疫系統的一個(gè)定義性特征，是細菌用來(lái)保護自己免受病毒攻擊的防御系統。它也存在于古生物界（單細胞微生物）中的生物體中。
首字母縮寫(xiě)詞“CRISPR”代表 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats。實(shí)質(zhì)上，它是一系列重復的DNA序列，并且這些DNA之間存在“spacers”。
簡(jiǎn)而言之，細菌利用這些基因序列來(lái)“記住”攻擊它們的每種病毒。
細菌會(huì )將病毒的DNA整合到自己的細菌基因組中。這種病毒DNA最終成為CRISPR序列中的“spacers ”。這種防御系統可以在同種病毒再次發(fā)起攻擊時(shí)給予細菌保護或免疫力。
總是位于CRISPR附近的基因，稱(chēng)為Cas（CRISPR相關(guān)）基因。
一旦激活，這些基因就會(huì )產(chǎn)生特殊的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)是與CRISPR共同進(jìn)化的酶。這些Cas酶能夠充當切割DNA的“分子剪刀”。
回顧一下：實(shí)際上，當病毒侵入細菌時(shí)，其獨特的DNA會(huì )被整合到細菌基因組中的CRISPR序列中。這意味著(zhù)下一次病毒攻擊時(shí)，細菌會(huì )記住它并發(fā)送RNA和Cas來(lái)定位和破壞病毒。
雖然細菌中還有其他Cas酶在病毒攻擊自己時(shí)會(huì )截斷病毒，但Cas9是動(dòng)物體內執行這種任務(wù)的最佳酶。大眾所熟知的術(shù)語(yǔ)CRISPR-Cas9是指切割動(dòng)物（和人類(lèi)）DNA的Cas酶的種類(lèi)。
為了更好的應用這項技術(shù)，研究人員增加了一個(gè)新的步驟：在CRISPR-Cas9切割DNA后，攜帶“固定”基因的新DNA序列可以嵌入到新的間隔中?；蛘?，切割可以同時(shí)“敲除”不需要的基因，例如，導致疾病的基因。
換個(gè)更加形象的說(shuō)法，CRISPR-Cas9類(lèi)似于Word中的“查找和替換”功能：CRISPR-Cas9想要查找并更正遺傳數據（或“單詞”），用新材料替換它?；蛘?，正如CRISPR的先驅Jennifer Doudna在其A Crack In Creation: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution一書(shū)中所提到的那樣，CRISPR就像一把瑞士軍刀，我們的使用方式不同，它發(fā)揮的功能也不同。
CRISPR研究的飛速發(fā)展，已經(jīng)超越了基礎DNA編輯。 2017年12月，Salk研究所設計了CRISPR-Cas9系統的不成熟版本，能夠在沒(méi)有編輯基因組的情況下激活或關(guān)閉目標基因。展望未來(lái)，這種技術(shù)可以解決基因編輯永久性的問(wèn)題。
CRISPR如何工作？
下面是幫助CRISPR-Cas9完成其工作的三大關(guān)鍵因素：
1.向導RNA：定位目標基因的一段RNA（DNA的遺傳表親）。這是在實(shí)驗室中設計的。
2.CRISPR相關(guān)蛋白9（Cas9）：將不需要的DNA剪掉的“剪刀”
3.DNA：切段后插入的所需DNA片段
下面將介紹它們是如何工作的。
向導RNA可作為“GPS坐標”，用于在目標基因片段上查找想要編輯的DNA片段。 一旦定位成功，Cas9剪刀就會(huì )在DNA中產(chǎn)生雙鏈斷裂，然后插入所需的DNA片段取而代之。
這項技術(shù)的確會(huì )威脅到醫療。 但除此之外，它還可以改變我們吃的食物到我們用作燃料的化學(xué)品，因為這些也可以通過(guò)基因技術(shù)設計。
來(lái)自麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)研究所的張鋒博士用童謠描述了CRISPR：
Twinkle Twinkle Big Star → Twinkle Twinkle Little Star
在這個(gè)過(guò)程中：
1.向導RNA定位錯誤或突變：?jiǎn)卧~“Big”。
2.Cas9酶切斷“Big”一詞。
3.插入正確的DNA片段，即單詞“Little”。
CRISPR的應用
每個(gè)行業(yè)都可以利用CRISPR：它可以為人類(lèi)疾病創(chuàng )造新的藥物，幫助農民種植抗病作物，創(chuàng )造新的動(dòng)植物物種，甚至讓滅絕的物種起死回生。
動(dòng)物研究
自最初發(fā)現CRISPR以來(lái)，其應用的領(lǐng)域迅速擴大。雖然還處于早期階段，但“動(dòng)物模型”（即實(shí)驗室動(dòng)物）已經(jīng)向我們展示了如何操縱CRISPR技術(shù)。
小鼠是研究CRISPR治療潛力的實(shí)驗對象。擁有超過(guò)人類(lèi)90%的基因，小鼠是哺乳動(dòng)物中理想的實(shí)驗對象。
小鼠實(shí)驗表明，CRISPR可以消除與假肥大性肌營(yíng)養不良（DMD）相關(guān)的缺陷基因，抑制神經(jīng)性舞蹈病蛋白質(zhì)的形成并消除HIV感染。
2015年，中國科學(xué)家通過(guò)去肌肉生長(cháng)抑制素基因基因創(chuàng )造了兩個(gè)超級肌肉小獵犬。在沒(méi)有該基因的情況下，小獵犬表現出“肌肉肥大”，明顯比未經(jīng)基因改造的犬更強壯。
其他CRISPR動(dòng)物試驗包括將長(cháng)絨山羊用于高產(chǎn)羊絨和繁殖無(wú)角奶牛。
人類(lèi)研究
與動(dòng)物研究相比，編輯人類(lèi)DNA的CRISPR實(shí)驗發(fā)展較緩慢，主要是由于倫理和監管問(wèn)題。
鑒于改變人類(lèi)基因組的永久性，FDA對于CRISPR的態(tài)度是謹慎的。 一些科學(xué)家甚至提出應該暫停CRISPR試驗，直到我們獲得更多有關(guān)該技術(shù)對人類(lèi)潛在影響的信息。
美國和歐洲
2018年，美國和歐洲進(jìn)行了CRISPR人體試驗。
目前（截至2018年2月13日），賓夕法尼亞大學(xué)正在等待FDA對于一項研究的最終批準。 該研究旨在評估應用CRISPR治療多發(fā)性骨髓瘤，黑色素瘤和肉瘤患者的安全性。
歐洲也可能會(huì )在2018年首次進(jìn)行人體CRISPR研究。CRISPR Therapeutics的研究集中在一種稱(chēng)為β-地中海貧血的血液疾病上，這種疾病會(huì )導致血紅蛋白的成分改變。
雖然涉及患者參與的臨床試驗仍在等待監管機構的批準，但CRISPR已經(jīng)應用于活體和非活體人類(lèi)胚胎實(shí)驗中。
例如，2017年8月，由俄勒岡州健康和科學(xué)大學(xué)的生殖生物學(xué)家Shoukhrat Mitalipov領(lǐng)導的一個(gè)小組獲得了私人贊助，使用CRISPR-Cas9識別了導致心肌增厚的胚胎突變。突變的胚胎在實(shí)驗室將突變率恢復到了72％（高于普通50％的遺傳率）。
一些批評人士說(shuō)，胚胎的基因編輯是不道德的，即使編輯過(guò)的胚胎不用于移植。目前這種類(lèi)型的測試無(wú)法獲得聯(lián)邦資助，都是依靠私人贊助。
中國
在世界的另一邊，監管框架也完全不同。 一些醫院倫理委員會(huì )可以在一天內批準研究，不需要征求聯(lián)邦機構的批準。
自2015年以來(lái)，中國一直在進(jìn)行CRISPR人體試驗以對抗各種癌癥，艾滋病毒和HPV。 中國是迄今為止唯一進(jìn)行人體試驗的國家。
據ClinicalTrials.Gov報道，中國有10項正在進(jìn)行或即將開(kāi)展的針對晚期癌癥的CRISPR治療試驗，如4期胃癌和鼻咽癌。 到目前為止，據說(shuō)一些患者的腫瘤縮小了，但沒(méi)有官方消息。
雖然我們對這項技術(shù)的長(cháng)期副作用尚未完全了解，但CRISPR已成為中國一些已用盡所有常規治療方案的患者的最后選擇。
涉及的行業(yè)
CRISPR將會(huì )影響的行業(yè)包括醫藥，食品，農業(yè)和工業(yè)生物技術(shù)。 由于CRISPR-Cas9基因編輯系統非常容易建立和使用，各個(gè)領(lǐng)域的研究人員都可以利用這項技術(shù)。
制藥和生物技術(shù)
未來(lái)的醫學(xué)將用CRISPR編寫(xiě)。
目前的藥物的研發(fā)需要花很長(cháng)時(shí)間，因為需要確保藥物的安全性，還需徹底了解藥物的副作用。 而且，目前的美國監管政策往往導致研發(fā)進(jìn)程長(cháng)達數十年。
然而，應用CRISPR的團隊可以將定制療法更快地推向市場(chǎng)，加速了傳統的藥物研發(fā)過(guò)程。
Timeline of drug development. Credit: PhRMA
CRISPR更加便宜和靈活，它能快速地識別潛在的目標基因，進(jìn)行高效的臨床前實(shí)驗。因為它可以用來(lái)“敲除”不同的基因，CRISPR為研究人員提供了一種更快，更實(shí)惠地研究成千上萬(wàn)個(gè)基因的方式，方便查看哪些基因受特定疾病的影響。
當然，隨著(zhù)藥物研發(fā)過(guò)程更加簡(jiǎn)便，CRISPR提供了治療患者的新方法。
例如，單基因疾病 - 由單一基因突變引起的疾病 – 可以進(jìn)行CRISPR試驗。這些疾病的性質(zhì)為治療提供了確切的目標：?jiǎn)蝹€(gè)基因的突變。
基于血液的單基因疾病如β-地中海貧血或鐮狀細胞也是CRISPR治療的理想對象，因為這些疾病能夠在體外進(jìn)行治療（稱(chēng)為離體治療）?；颊叩难毎梢员蝗〕?，用CRISPR技術(shù)治療，然后放回到體內。
糧食和農業(yè)
早在二十世紀二十年代，酸奶公司 Danisco 就開(kāi)創(chuàng )了CRISPR的早期應用，當時(shí)科學(xué)家們使用早期版本的CRISPR來(lái)對抗牛奶和酸奶中的主要細菌（嗜熱鏈球菌），該細菌總是被病毒感染。 那時(shí)候，CRISPR技術(shù)仍不成熟。
由于氣候變化的影響，我們急需使用CRISPR保護糧食和農產(chǎn)品免受新細菌的侵害。 例如，隨著(zhù)種植區域變得越來(lái)越熱和干燥，可可的種植變得越來(lái)越難。 這種環(huán)境變化將進(jìn)一步加劇病原體造成的損害。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，加州大學(xué)伯克利分校的創(chuàng )新基因組學(xué)研究所（IGI）正在應用CRISPR來(lái)制造抗病可可。領(lǐng)先的巧克力供應商MARS Inc.也在支持這項研究。
基因編輯可以使種植更加高效。它可以緩解馬鈴薯和西紅柿等主要作物的全球糧食短缺，也可以創(chuàng )造出不受干旱和其他環(huán)境影響的作物。
監管機構對基因編輯作物幾乎沒(méi)有任何抵觸情緒，美國農業(yè)部（USDA）也沒(méi)有管理這一領(lǐng)域。這主要是因為當CRISPR應用于農作物時(shí)，不會(huì )帶來(lái)任何外源DNA：CRISPR僅用于編輯作物自身的遺傳信息，選擇理想的性狀。
2016年，被改造成耐褐變的白色蘑菇成為第一個(gè)通過(guò)美國農業(yè)部批準的CRISPR編輯的有機體。 2017年10月，農業(yè)公司DuPont Pioneer和Broad研究所將互相合作，利用其CRISPR-Cas9知識產(chǎn)權進(jìn)行農業(yè)研究。
今年1月，生物技術(shù)公司Yield10 Bioscience獲得CRISPR植物亞麻籽油（假亞麻）的批準，該亞麻籽油增強了ω-3油，用于制造植物油和動(dòng)物飼料。
這些跡象表明，新品種的農作物比以前想象的更快地進(jìn)入市場(chǎng)。 如果沒(méi)有美國農業(yè)部的監督，這些產(chǎn)品和其他食品可能會(huì )較快地投入生產(chǎn)。
這會(huì )影響我們吃的食物，因為食物被編輯以后，有可能以攜帶更多的營(yíng)養物質(zhì)或可以在雜貨架上保存更長(cháng)時(shí)間。
另一個(gè)領(lǐng)域是生產(chǎn)更精瘦的家畜。
2017年10月，北京中國科學(xué)院的科學(xué)家使用CRISPR對豬肉進(jìn)行遺傳工程改造，使豬體脂肪減少了24％。
研究人員將小鼠基因插入豬細胞中，這樣豬可以更好地調節體溫。
將這種技術(shù)應用于人類(lèi)食物將是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。
工業(yè)生物技術(shù)
另一個(gè)不太明顯的領(lǐng)域是工業(yè)生物技術(shù)。 使用CRISPR重新設計微生物，研究人員可以創(chuàng )建新材料。
這與整個(gè)社會(huì )有什么關(guān)系？
從工業(yè)角度來(lái)看，這對改造和創(chuàng )造新的化學(xué)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常重要。 我們可以改變微生物以增加多樣性，創(chuàng )造新的生物材料，并制造更高效的生物燃料。 從香水中的活性化學(xué)物質(zhì)到工業(yè)洗潔精中的活性化學(xué)物質(zhì)，CRISPR會(huì )對創(chuàng )造新的更高效的生物材料產(chǎn)生巨大影響。
Jennifer Doudna的第一個(gè)CRISPR創(chuàng )業(yè)公司Caribou Biosciences成立于2011年，為各行各業(yè)提供非治療性研究，是為各種行業(yè)提供CRISPR技術(shù)的主要公司之一。
局限性
CRISPR的潛在利益非常多，但是這項技術(shù)也有局限性。
非預期的效應和所有未知變量都是這項新技術(shù)的缺點(diǎn)，而新的道德問(wèn)題和爭議也在近期因為人體試驗而出現。
副作用
使用CRISPR進(jìn)行人體治療時(shí)，安全性是最大的問(wèn)題。與任何新技術(shù)一樣，研究人員不確定CRISPR的整個(gè)影響范圍。
Off-target activity是主要問(wèn)題。單個(gè)基因編輯可能導致基因組中其他地方發(fā)生意外。這可能導致組織異常生長(cháng)，導致癌癥。我們需要更精確，更精確的基因識別。
另一個(gè)問(wèn)題是馬賽克生成的可能性。在CRISPR治療后，患者可以混合編輯和未編輯的細胞，即“馬賽克”。隨著(zhù)細胞不斷分裂和復制，一些細胞可能會(huì )被修復，而其他細胞則不會(huì )被修復。
最后，免疫系統并發(fā)癥意味著(zhù)這些干預和治療可能會(huì )引發(fā)患者免疫系統的不良反應。早期的研究表明，免疫系統可以在達到目的之前處理Cas酶，或者會(huì )導致不良反應，例如炎癥等。 （1999年，美國的一位患者死于嚴重的免疫反應，CRISPR試驗中研究人員應該更加的謹慎。）
但是，這三個(gè)限制都有解決方案。
不同的酶（“分子剪刀”）或更精確的運載工具可以減少Off-target activity。如果對卵子或精子中的修飾干細胞（即可以變成人體內每個(gè)細胞的細胞）進(jìn)行編輯，也可以避免馬賽克。
隨著(zhù)免疫系統發(fā)生問(wèn)題，研究人員可以將不同的Cas蛋白與人類(lèi)尚不免疫的更隱蔽的細菌株分離開(kāi)來(lái)，以避免不必要的免疫反應。同時(shí)，也可以進(jìn)行體外治療，科學(xué)家將患者的血液細胞拿出到體外，并在把它們放回去之前對其進(jìn)行治療，也可以繞過(guò)免疫系統。
生物選擇
CRISPR的一個(gè)潛在的重大限制是CRISPR-Cas9系統缺乏手術(shù)精確度。 Cas酶切割DNA雙螺旋的兩條鏈，這種“雙鏈斷裂”引起人們對切割精準度的擔憂(yōu)。
盡管目前Cas9酶是“切割”酶中最受關(guān)注的，但科學(xué)家們正在積極尋找其替代品。
其他選擇包括較小版本的Cas9，或完全不同的酶：Cpf1，因為其容易運輸到目標DNA位置而受歡迎。
除了使用其他Cas酶之外，用于治療基因的運輸載體是另一種替代工具。 無(wú)害病毒可將治療基因攜帶到突變位點(diǎn)，而脂質(zhì)納米顆?？杀苊饷庖呦到y檢測，避免免疫反應。 這兩種選擇都是極具潛力的研究途徑。
爭議
當技術(shù)可以改變生命法則時(shí)，其影響是深遠的， 它的爭議也是如此。下面將列出一些關(guān)于CRISPR的主要爭議。
設計你自己的寶寶？
如果我們知道某個(gè)基因的位置在哪里，可以利用CRISPR以多種方式操縱它。
按照這種邏輯，寵物主人可以用特定的毛色和尺寸設計他們想要的狗。更重要的是，父母還可以修改控制身高或眼睛顏色的基因來(lái)“設計”自己的孩子。如果我們能夠分離出與智力相關(guān)的基因，那孩子的智商也可以被操縱。
雖然批評人士說(shuō)這種技術(shù)只能用于治療需求，但CRISPR的快速發(fā)展似乎不會(huì )減慢，基因編輯技術(shù)的已經(jīng)被用于非治療目的手術(shù)中。
2015年，北京基因組研究所（BGI）通過(guò)去除與生長(cháng)有關(guān)的基因，創(chuàng )造了“微型豬”。這種豬只有30磅，這與豬100磅的正常體重相差甚遠。 BGI最初想要以約1,600美元每只的價(jià)格賣(mài)出這些微型豬，并且為消費者提供定制尺寸和顏色選擇。但該計劃最終于2017年停止。
盡管BGI使用TALENs而非CRISPR來(lái)編輯豬的基因，但CRISPR在設計未來(lái)寵物時(shí)也引發(fā)了類(lèi)似的擔憂(yōu)。這種設計應用程序有可能導致動(dòng)物和人類(lèi)進(jìn)化方向的永久性，導致不可逆轉的轉折點(diǎn)。
讓滅絕動(dòng)物復活
最后一只長(cháng)毛的猛犸象出現在3600年前。如果我們能夠讓這些古代生物起死回生，我們應該這么做嗎？目的是什么？無(wú)論是出于好奇還是為了有效的科學(xué)實(shí)驗，這個(gè)領(lǐng)域都頗具爭議。
簡(jiǎn)而言之，滅絕物種復活是為了讓滅絕的動(dòng)物起死回生。首先我們需要找到滅絕動(dòng)物最近的活體親屬的胚胎，并使用CRISPR-Cas9在其基因中插入已滅絕物種的DNA，這樣一只已滅絕的動(dòng)物可以再次漫游這個(gè)星球。
不同的科學(xué)團體和組織已經(jīng)在采取這些行動(dòng)。值得注意的是，The Long Now基金會(huì )的一個(gè)名為“復興與恢復”的項目旨在再造已經(jīng)滅絕的動(dòng)物，如旅鴿和猛犸象。Broad 研究所的遺傳學(xué)家喬治教一直致力于實(shí)現這一項目。
Credit: Revive & Restore
猛犸象對許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)是非常具有吸引力的。編輯亞洲大象基因組并插入來(lái)自古老長(cháng)毛茸猛犸象組織中的基因，這或許可以是長(cháng)毛猛犸象復活，或者造出古代生物的雜交版本。
在這種情況下，我們也需要考慮氣候因素：一些研究人員認為，猛犸象對遠北森林的有很大影響，這可能會(huì )恢復永久凍土，并且減少排放到大氣中的碳。
滅絕物種復活的倡導者們也表示，人類(lèi)直接導致許多物種滅絕，因此，我們應該共同努力扭轉這一趨勢。
批評者擔心，像這樣操縱自然可能會(huì )帶來(lái)更多的傷害而不是積極影響，可能會(huì )創(chuàng )造出威脅人類(lèi)崛起或現在環(huán)境的物種。
遺傳中的不可逆遺傳變異
利用CRISPR進(jìn)行“生殖細胞改造”引發(fā)科學(xué)界的擔憂(yōu)。
改造體細胞，如皮膚，大腦，肌肉和心臟細胞不會(huì )傳遞給后代。然而，生殖細胞改造修改的是卵子或精子細胞中的基因，因此這樣的改造將遺傳給后代。
生殖細胞改造引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題：從道德層面上，我們是否可以選擇我們想要遺傳給后代的基因？
生殖細胞改造的后果是為什么現在研究人員僅使用非活體的人類(lèi)胚胎進(jìn)行CRISPR研究的原因之一。2017年3月，中國第一次在六個(gè)活體胚胎上進(jìn)行了CRISPR實(shí)驗。值得注意的是，實(shí)驗顯示基因編輯的成功率比先前使用非活體胚胎的實(shí)驗更高。
盡管?chē)@這個(gè)問(wèn)題存在爭議，但顯然，改造生殖細胞的好處是可以阻止或防止疾病表現為個(gè)體發(fā)育。生殖細胞療法也可以保證患者體內的每個(gè)細胞都接受治療。
即使一個(gè)成年人天生就是易得癌癥的體質(zhì)，通過(guò)CRISPR編輯生殖細胞基因，他也可以痊愈，就像從沒(méi)從未患過(guò)癌癥一樣。
生物黑客
生物黑客表示他們希望利用CRISPR將縮短之前長(cháng)時(shí)間的研發(fā)過(guò)程，但這引發(fā)了人們的討論：他們是否應該受到監管以及監管的辦法。
Image: DIY Bacterial Gene Engineering CRISPR Kit, Credit: The Odin
最近由Do-It-Yourself (DIY)生物黑客發(fā)起的眾籌活動(dòng)引起了眾多關(guān)注。 生物黑客初創(chuàng )公司Odin在其網(wǎng)站上銷(xiāo)售DIY Bacterial CRISPR試劑盒，零售價(jià)為159美元。2017年10月，Odin的首席執行官Josiah Zayner在于舊金山舉行的合成生物學(xué)會(huì )議上為自己注入了CRISPR改造肌肉生長(cháng)的基因。
目前，這種生物檢測仍然沒(méi)有相關(guān)規定，因為它是自我注射，而不是對其他人的實(shí)驗。 但是，FDA確實(shí)禁止了這種以治療為目的自我注射試劑的銷(xiāo)售。
CRISPR的未來(lái)
CRISPR技術(shù)的未來(lái)應用基本上與生命形式本身一樣不可估量。雖然目前的研究主要針對治療或食品技術(shù)，但CRISPR-Cas9技術(shù)還有一些不為人熟知但非常實(shí)際的應用。
異種移植
異種移植是將另一種動(dòng)物的細胞，組織或器官移植到人類(lèi)接受者體中的行為。
由于對器官移植的需求量很高，但供應量無(wú)法滿(mǎn)足需求，因此異種移植可能為等待器官移植的病人帶來(lái)希望。
該過(guò)程大概如下所示：
1.科學(xué)家在活豬內注射人類(lèi)干細胞。
2.這些人類(lèi)干細胞在該豬體內生長(cháng)并分化成特定類(lèi)型的細胞。
3.通過(guò)Cas9的“教導”，干細胞最終成長(cháng)為某種類(lèi)型的細胞（即心臟，肝臟，胰腺等）。
2017年1月，總部位于加利福尼亞的Salk研究所宣布自己已經(jīng)制造出一種由豬和人類(lèi)細胞組成的嵌合體生物體，在科學(xué)界引起了很大的轟動(dòng)。
Xenotransplantation, Credit: eGenesis
科學(xué)家先前已經(jīng)在鼠的干細胞中進(jìn)行了異種移植：科學(xué)家先用CRISPR-Cas9去除在小鼠中產(chǎn)生胰腺的基因，然后將大鼠干細胞插入小鼠胚胎中。按照程序，小鼠將繼續長(cháng)出大鼠胰腺。
后來(lái)，研究人員在豬胚胎中插入了人體干細胞（稱(chēng)為誘導多能干細胞或iPSC）。出于安全性和有效性的考慮，該研究在4周后停止。研究人員確實(shí)注意到一些移植到這些豬胚胎的干細胞，正在變成人體組織。雖然該試驗的成功率比起小鼠胚胎的實(shí)驗低很多，但這仍然是一項科學(xué)成就。
由George Church共同創(chuàng )立的eGenesis，目前也在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，目標是為人類(lèi)在豬體內培育人類(lèi)器官。 2017年8月，科學(xué)家對豬胚胎中的60多個(gè)基因進(jìn)行了改造，目的是為了消除人體在移植時(shí)排斥的逆轉錄病毒。
如果研究人員能想出一種在活著(zhù)的動(dòng)物體內培養人類(lèi)細胞的方法，那么他們可以創(chuàng )造出與患者百分百匹配的器官。每個(gè)患者的干細胞都可以生長(cháng)出由自己獨一無(wú)二的DNA構成的器官，從而減少排斥和器官衰竭等風(fēng)險。
基因驅動(dòng)可能會(huì )導致進(jìn)化混亂
一個(gè)沒(méi)有蚊子的未來(lái)也是一個(gè)沒(méi)有瘧疾的未來(lái)，寨卡病毒，基孔肯雅病毒，登革熱 - 這個(gè)名詞不斷涌現。 沒(méi)有這些昆蟲(chóng)傳播疾病，世界各地的生命將不會(huì )受到這些疾病的威脅。
CRISPR可以幫助我們到達這個(gè)目的。 然而從進(jìn)化的角度來(lái)講，一個(gè)好主意可能會(huì )導致災難性的后果。
一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)基因有50％的機會(huì )被遺傳給后代。 但基因驅動(dòng)卻可以用來(lái)確保某種基因有更大的遺傳幾率。
如果科學(xué)家通過(guò)遺傳編輯技術(shù)改變基因驅動(dòng)，他們則可以為進(jìn)化創(chuàng )造一個(gè)加速通道。
Credit: E. OTWELL AND M. TELFER, ScienceNews.org
2016年12月，倫敦帝國理工學(xué)院的研究人員設想了一種消除整個(gè)攜帶瘧疾寄生蟲(chóng)蚊子種群的方法。 若想實(shí)現這個(gè)想法，可以通過(guò)使用CRISPR系統編輯基因并添加DNA序列，從而引起蚊子胚胎中的偏倚遺傳。 隨著(zhù)這些蚊子發(fā)育并長(cháng)成成蟲(chóng)，它們會(huì )與其他野生蚊子交配，這樣整個(gè)蚊子種群會(huì )停止攜帶瘧疾。
但在短期看來(lái)，這樣一個(gè)好辦法會(huì )破壞野生生態(tài)系統的自然平衡，改變自然進(jìn)化的過(guò)程。通過(guò)生態(tài)系統造成的多米諾骨牌效應是無(wú)法預測的。
基因組編輯是一種大規模殺傷性武器？
2016年2月，由國家情報局局長(cháng)詹姆斯克拉珀編寫(xiě)的《美國情報部門(mén)全球威脅評估報告》中提到，“基因組編輯”被列在潛在自然安全威脅下的“大規模毀滅和擴散性武器”。
EcoNexus和ETC Group等遺傳監督組織警告大眾說(shuō)，基因編輯可能會(huì )被濫用。 CRISPR可以成為生物恐怖分子的靈感來(lái)源，他們能通過(guò)設計新病原體來(lái)創(chuàng )造新一代生物武器。如果一只昆蟲(chóng)能攜帶并傳遞毒素，這項技術(shù)可能會(huì )被犯罪組織利用。
美國國防部的高級研究計劃局（DARPA）已經(jīng)在為應對這些情況做準備，并正在開(kāi)發(fā)解毒劑，他們也正在努力尋找能夠扭轉有害基因驅動(dòng)效應的解決方案。
專(zhuān)利戰爭
自從關(guān)于CRISPR及其應用的第一篇論文于2012年出版以來(lái)，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家Jennifer Doudna和Broad Institute的張鋒一直在競爭申請這項技術(shù)的專(zhuān)利權。
2017年2月，美國專(zhuān)利和商標局最終授予在美國專(zhuān)利商標局授予了張鋒CRISPR-Cas9的專(zhuān)利權。然而，歐洲專(zhuān)利局（EPO）本月剛剛撤銷(xiāo)了Broad的一項專(zhuān)利權。
展望未來(lái)，CRISPR相關(guān)的專(zhuān)利權戰爭及其對該領(lǐng)域研究的影響將值得關(guān)注。隨著(zhù)大量專(zhuān)利族的興起，未來(lái)的CRISPR專(zhuān)利戰將持續升溫。
結束語(yǔ)
基因編輯的未來(lái)在100,50甚至10年后可能發(fā)生翻天覆地的變化。
未來(lái)，在植物，動(dòng)物甚至人類(lèi)中修改或設計基因可能會(huì )合法，這也將給基因庫和進(jìn)化過(guò)程造成不可逆轉的影響。
雖然上面提出的一些想法在目前看來(lái)似乎很牽強，但這的確很有可能發(fā)生。畢竟，CRISPR不是一種昂貴和難以獲得的技術(shù)。CRISPR技術(shù)現在可以使用，很多人也正在使用這項技術(shù)。從農民到研究人員，CRISPR將對我們的社會(huì )產(chǎn)生不可估量影響。
原文鏈接：https://www.cbinsights.com/research/what-is-crispr/
編譯組出品。編輯：郝鵬程
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