革命性基因编辑技术CRISPR渐成科学家新宠

当病毒攻击细菌时，细菌会做出针对DNA的防御反应。生物学家利用这一机制开发基因工程技术。

来源:科学之眼

如果只发表一份报告，只会引起一些注意。但当六份报告同时发表时，这意味着这是大势所趋。

细菌也会生病，这对乳制品行业来说是一个潜在的大问题。乳制品行业通常依靠细菌(如嗜热链球菌)生产酸奶和奶酪。嗜热链球菌将牛奶中的乳糖分解成刺激性乳酸。然而，一些病毒，如噬菌体，可以逐渐削弱细菌，从而对细菌生产的食品的质量或数量造成严重损害。

CRISPR技术

2007年，来自丹麦哥本哈根食品添加剂公司的科学家发现了一种增强细菌抵御噬菌体能力的方法，该公司目前被杜邦公司收购。这一发现使杜邦公司能够开发出更强的食品生产菌株。还揭示了一些基本原理:细菌具有高度适应性的免疫系统，能够抵御某些噬菌体的多重攻击。

突然间，不仅是食品科学家和微生物学家，许多领域都意识到了细菌免疫系统的重要性，因为它有一个非常有价值的特性:靶向特定的基因序列。今年一月，四个研究小组报告了这个叫做CRISPR的系统。在接下来的8个月里，许多科研团队用它来删除、添加、激活或抑制人类、小鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和作物细胞中的目标基因，从而证明了这项技术的广泛适用性。

美国哈佛大学的乔治·丘奇(George Church)说，生物学家最近开发了一些新方法来精确操纵基因，“但CRISPR在功效和易用性的所有方面都是优越的”。丘奇的实验室是第一个将该技术应用于人类细胞的实验室之一。

基于CRISPR，科学家们正在比以前更快地建立人类疾病的小鼠模型，并且研究单个基因更快，这可以立即和容易地改变细胞中的多个基因，以便研究它们的相互作用。然而，今年CRISPR研究的热潮可能会下降，因为这种方法的局限性开始显现。但是丘奇和其他CRISPR的先驱已经建立了公司，希望利用这项技术来治疗遗传性疾病。波兹曼蒙大拿州立大学的生物化学家布莱克·威登海夫说:“我不认为在任何领域有任何例子表明这项技术发展得太快。”

蹒跚而去

这种新的基因工程工具首次被报道是在1987年。一个研究小组在细菌基因的一端观察到一个奇怪的重复序列。这种现象在当时并没有引起太多的注意。十年后，破译微生物基因组的生物学家经常发现类似的令人困惑的模式(一个DNA序列后面跟着一个几乎相同但构建方向相反的序列)。这种模式出现在超过40%的细菌和90%的古细菌中。

许多研究人员认为这些奇怪的序列毫无意义，但在2005年，三个生物信息学小组报告说间隔区的DNA通常与噬菌体的基因序列相匹配，这表明CRISPR可能在微生物免疫中发挥作用。“这是一个非常重要的线索，”加州大学伯克利分校的生物化学家珍妮弗·杜德娜说。位于马里兰州贝塞斯达的国家生物技术信息中心的尤金·库宁和他的同事提出，细菌和古细菌占据噬菌体的DNA，然后将它作为一个模板储存在核糖核酸分子中(这可以防止外来的脱氧核糖核酸匹配)，就像真核细胞使用一种叫做核糖核酸干扰的系统破坏核糖核酸一样。

2007年，鲁道夫·巴伦古、菲利普·霍瓦特和丹尼斯团队的其他人证明，他们可以通过添加或删除与噬菌体DNA匹配的间隔区DNA来改变嗜热链球菌对噬菌体攻击的抵抗力。当时，Barrangou(目前在美国罗利的北卡罗来纳州立大学工作)没有充分实现CRISPR的全部潜力。他说:“我们不知道这些元素是否能成为像卓越的基因编辑技术那样容易获得的技术。”

目前在德国和mhh的亥姆霍兹感染研究中心工作的杜德纳和埃马纽埃尔·夏彭蒂尔迈出了下一步。他们独立梳理了各种CRISPR相关蛋白的功能，并研究了间隔区DNA如何在细菌的免疫防御中发挥作用。但是两位专家很快转向CRISPR系统，该系统依赖于一种叫做Cas9的蛋白质，因为这种CRISPR系统比其他CRISPR系统更简单。

当面对噬菌体入侵时，当细菌将间隔区的脱氧核糖核酸和脱氧核糖核酸的回文转录成一串长核糖核酸分子时，CRISPR就会发生反应。四氢核糖核酸(一种额外的核糖核酸片段)和外壳9一起工作产生四氢核糖核酸(来自间隔区的核糖核酸)。Charpentier的团队于2011年在《自然》杂志上报道了这一发现。该小组提出，Cas9、四氢核糖核酸和四氢核糖核酸一起以某种方式攻击与四氢核糖核酸配对的外源DNA。

席卷全球

速度不是CRISPR的唯一优势。丘奇的团队正在推广合成核酸酶在人类细胞中的应用。在三种类型的人类细胞中，CRISPR系统在切割目标DNA方面比TALENs更有效，并且可以处理比TALENs更多的基因。为了说明CRISPR系统的简单性，丘奇的团队合成了成千上万的前导核糖核酸序列，这些序列可以锁定90%的人类基因。

一篇独立的研究论文(由马萨诸塞州贝尔德研究所的合成生物学家张峰和他的同事完成)几乎与丘奇的论文同时发表，该论文表明CRISPR可以立即靶向并切割人类细胞中的两个基因。张与马萨诸塞州怀特海生物医学研究所的发育生物学家鲁道夫·耶尼斯合作，在小鼠胚胎干细胞中分离出五个基因。

这些工作为培育突变小鼠奠定了基础，突变小鼠是生物医学研究的关键工具。一种方法是将突变小鼠的胚胎干细胞植入生长中的胚胎。他的团队发现，这可以简单地将Cas9信使核糖核酸和两种导向核糖核酸注射到小鼠卵子或受精卵中。

根据张的CRISPR技术，一种新的老鼠模型将在几周内投入测试。张认为，这种方法并不局限于老鼠。只要你能操纵胚胎并重新植入胚胎，你就能对更大的动物(甚至灵长类)进行研究。

在张和丘奇的报告在网上发表三周后，杜德的团队和一个韩国研究小组报告说，他们成功地用CRISPR从人类细胞中去除了脱氧核糖核酸。与此同时，另一个团队透露，他们用CRISPR创造了突变斑马鱼。一系列的研究报告创造了协同效应，赢得了生物学界的广泛关注。北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学的生物医学工程师查尔斯·格斯巴赫(Charles Gersbach)说:“如果只发表一份报告，只会引起一些关注。但当六份报告同时发表时，这意味着这是大势所趋。”

一年前，当高彩霞看到杜德和夏彭蒂埃的研究报告时，她被他们的理论说服了。高彩霞的团队来自中国科学院遗传与发育生物学研究所。他们利用锌指结构和滑石技术对水稻和小麦进行研究。通过使用CRISPR，她的团队已经成功地禁用了水稻的四个基因，这意味着这项技术可以用于改良水稻，一种重要的作物。至于小麦，他们去除了一种基因，这种基因使小麦能够抵抗白粉病。CRISPR的进展令人振奋。高彩霞团队的研究报告发表在《自然生物技术》8月刊上。与此同时，关于CRISPR在植物和小鼠中的研究结果的另外四份报告也同时发表。

CRISPR的使用非常便宜:免费软件使设计指南的成本(针对特定基因)为零，而从一个名为Addgene的基因库中获取基因来设计自己的CRISPR系统只需65美元。自今年以来，Addgene(共有11个研究小组为其提供了可用于CRISPR系统的DNA序列)见证了5000个CRISPR结构的生产。今年7月，Addgene在一周内收到了100份订单(设计新结构)。阿迪杰的执行董事乔安妮·卡门说:“阿迪杰卖得很好。”(段新伟)(原名“CRISPR*”是“威胁”)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年8月27日)