呼风唤雨的“CRISPR / Cas9”系统

文 / Gene Ng

CRISPR 荣获去年《科学杂志》的年度重大突破，但今年仍势如破竹，如果要选出今年最佳科技风云榜，CRISPR 恐怕仍当榜首无愧。

今年，有东方诺贝尔奖之称的“唐奖”揭晓了第二届“生技医药奖”得主，由法国科学家 Emmanuelle Charpentie、美国科学家 Jennifer A. Doudna，以及美籍华裔的张锋三人共同获得，其发展出的“CRISPR/Cas9”系统成为突破性的基因编辑平台，带动基因体编辑革命，有设计相对简单以及操作相对容易的优点，能够广泛应用在小鼠研究、植物抗菌、对抗遗传性疾病，明显地改革生医研究与疾病治疗的策略。

改变生医研究的“CRISPR/Cas9”系统

“CRISPR/Cas9”全名为“常间回文重复序列丛集／常间回文重复序列丛集关联蛋白”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins），是存在于大多数细菌与所有的古菌中的一种后天免疫系统，以消灭入侵的外来质体或者噬菌体，更妙的是还会在自身基因体中留下外来基因片段作为“记忆”对。

把细菌的免疫系统打造成风靡生命科学和生技产业的基因体编辑系统，缘自 2011 年，任教加州大学柏克莱分校的珍妮佛 • 道纳 (Jennifer A. Doudna) 在一个研讨会遇到了来自法国的微生物学家伊曼纽 • 夏彭提耶 (Emmanuelle Charpentier)，后者告诉她 CRISPR 和一个称为 Cas9 的蛋白质会有交互作用。当时并无人成功把 CRISPR 应用在较复杂的生物系统上，于是她们就携手合作 [1]。

但在同一年，故事的另一个主轴也发生在麻省理工学院和哈佛大学共同成立的博德研究所，来自中国的张锋一直设法要改造人体细菌，他在博德研究所的一个研讨会中，听到了关系 CRISPR 的系统，并且也从前一年加拿大生物学家的论文得知 Cas9 蛋白质。

Doudna 和 Charpentier 的合作，产生了一加一大放二的效益，成功在细菌中随心所欲地改变基因序列，在 2012 年发表了一篇论文在《科学》 [2]。张峰等人和哈佛医学院的合成生物学大师 George Church 在 2013 年初在《科学》也各别发表了一篇论文 [3-4]，张锋等人成功地在真核细胞驾驭了“CRISPR/Cas9”系统。

“CRISPR/Cas9”的基因体编辑技术让科学家可以快速并精准地进行体内和体外基因编辑。于是在很短的时间，在生命科学和生物医学的研究中快速扩散，也在很短短几年，就有科学家把这系统应用在农业和制药生技上。这几年，多国科学家也打算大胆地把这技术用在人体上！

来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Cas9

延伸阅读：癌细胞请注意，基因编辑魔术师已随着免疫疗法进入人体试验

“CRISPR/Cas9”将要进入人体实验

中国的科学家已经尝试了“CRISPR/Cas9”来改造人类胚胎，虽然他们从来没有打算把胚胎植入母亲的，而且成败参半，但已引起很大的争议。今年二月英国核准争议的人类胚胎编辑研究，也是使用｢CRISPR/Cas9”。美国宾州大学研究团队在近期向美国国家卫生院（NIH）申请一项计画，目的是希望利月手“CRISPR/Cas9”修改患者免疫系统中的 T 细胞，提高患者本身的免疫力以对抗癌症。NIH 首次核准了该人体实验，并可望最快在今年内执行。若在未来能成功帮助抵抗癌症，也将会是医疗界中相当重要的突破。

除了治疗癌症，阿斯利康和诺华公司已经联手利用“CRISPR/Cas9”开发并把药物推向市场，“CRISPR/Cas9”可能使抗癌药物更有效，制造防治艾滋病毒的更有效抗病毒药物，并修改猪的器官以适合作为移植人类等等。在短短的几年中，该技术从医药到农业还有生质能源都能应用。利用“CRISPR/Cas9”，不需要再用外源任何基因，避开了转基因的争议。据说杜邦公司已研发出 25 种“CRISPR/Cas9”相关产品的管道，包括玉米、大豆、小麦和水稻。

也因为“CRISPR/Cas9”的迅速风靡，许多对基改及人体实验的观念也需要大幅人改变，法规和管理也需要大幅修订，因此有人担忧科学的进展已经比我们的社会和立法机构还快，未来要如何有效地让科技造福人群的同时兼顾伦理和社会观念，将考验科学家和政府的智慧。

2016 年唐奖之生技医药奖三位得主简介

伊曼纽 • 夏彭提耶（Emmanuelle Charpentier）
Charpentier 博士为法国知名微生物学家，被誉为“在病原细菌的感染与免疫调控机制的研究上为世界首屈一指的专家”。现任德国马克斯 • 普朗克传染病生物学研究所（Max Planck Institute for Infection Biology）传染病生物学调控部门的主任。在 CRISPR 技术发展中，主要贡献在发现 Cas9 蛋白的活性仰赖 tracrRNA。

珍妮佛 • 道纳（Jennifer A. Doudna）
Doudna 博士于美国加州大学柏克莱分校（University of California, Berkeley）担任化学及分子暨细胞生物学系教授，也是霍华德 • 休斯医学研究所（HHMI）的研究员，以及美国国家科学院院士。为著名的 RNA 结构生物学家，曾研究核酶、内转译子（IRES）、和较后来的 Cas9/RNA 交互作用。crRNA 与 tracrRNA 可以融合成单链引导 RNA（sgRNA）辨识目标序列，被认为是她和 Charpentier 博士的共同功劳。

张锋（Feng Zhang）
张博士是一位华裔美籍生物工程学家，致力于开发工具来研究神经科学与人类疾病，现为麻省理工学院（MIT）脑与认知科学系及生物工程系副教授、麦戈文脑科学研究所（McGovern Institute for Brain Research）的研究员、博德研究所（Broad Institute）的核心成员。其先前的研究造就了“光遗传学”科技应用在神经细胞的再生。在 CRISPR 技术的发展中，主要的贡献在于率先使其适用于哺乳类细胞。

延伸阅读：预测下一个生技世代的风貌(二)： CRISPR 的积极进取

参考资料：
1. Robert Kolker. HOW FENG ZHANG’S GENE EDITING TECHNIQUE WILL CHANGE THE WORLD. Bloomberg. http://www.bloomberg.com/features/2016-how-crispr-will-change-the-world/
2. Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier E (August 2012). “A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity”. Science 337 (6096): 816–21.
3. Cong L, Ran FA, Cox D, Lin S, Barretto R, Habib N, Hsu PD, Wu X, Jiang W, Marraffini LA, Zhang F (February 2013). “Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems”. Science 339 (6121): 819–23.
4. Mali P, Yang L, Esvelt KM, Aach J, Guell M, DiCarlo JE, Norville JE, Church GM (February 2013). “RNA-guided human genome engineering via Cas9”. Science 339 (6121): 823–6.
5. 唐奖：http://www.tang-prize.org/owner.php?cat=11&y=3