10 月 7 日，加州大学伯克利分校 Jennifer A. Doudna 教授和法国微生物学专家 Emmanuelle Charpentier 博士荣获 2020 年诺贝尔化学奖殊荣！她们发现 CRISPR/Cas9 基因编辑系统，可高度精度地改变动物、植物和微生物的 DNA；借由编程基因密码，可为癌症带来创新的疗法，并有可能治愈遗传性疾病，重新改写人类的遗传密码，展开医学与生命科学研究领域从所未有的新篇章。
CRISPR 起源：古细菌的防卫系统
CRISPR 的全名是“常间回文重复序列丛集／常间回文重复序列丛集关联蛋白/群聚且有规律间隔的短回文重复序列”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins），主要为一种存在于大多数细菌与所有的古细菌中的后天免疫系统，负责消灭入侵的外来质体或者噬菌体，在所有原核生物的重复 DNA 序列中 CRISPR 似乎是最为普遍的一种重复 DNA 序列家族。2002 年Ruud Jansen 所带领的研究团队以英文字母缩写组合出 CRISPR 的称号来为这区段命名。CRISPR/Cas 的复合式结构包含两个部份，第一个是 CRISPR，这是一段排列奇特的 DNA；第二个是 Cas，是一种核酸酶。这两者组合起来就成为一套 DNA 编辑系统。
Doudna 教授、Charpentier 博士与 CRISPR 的美丽邂逅
2006 年，Doudna 教授在在加州大学柏克莱分校（University of California, Berkeley）同事 Jillian Banfield 的引领之下首度认识了 CRISPR，让她开始对于这个发生在古微生物的有趣现象感到兴奋且深深着迷，但实际上当时她因为研究室的资源和人力不足，险些放弃了这项崭新而高风险的 CRISPR 研究。然而，在 Jillian Banfield 的强力鼓吹之下，再加上团队有新的博士后研究员威登赫夫特 Blade Wiedenheft 的加入，让 Doudna 教授决定放手一搏，决心投入探索 CRISPR 神秘机转的谜团。
2011年，Doudna 教授因缘际会认识了 Emmanuelle Charpentier 博士，二人相谈甚欢一拍即合地决定开始合作。Emmanuelle Charpentier 从化脓性链球菌的感染机制确认是以第 II 型 CRISPR 系统来切断病毒 DNA，其中 csn1 基因扮演非常关键的角色（Csn1 曾有过许多名字，直到 2011 年夏天才被正式命名为 Cas9）。她们一致认为 Cas9 蛋白可能在第 II 型 CRISPR 系统的免疫反应期间，担任破坏病毒 DNA 的关键要角。
基因神剪 CRISPR-Cas9 诞生
2012年，Doudna 教授和 Charpentier 博士合作，尝试把 CRISPR RNA 和 tracrRNA 接合起来，变成一条合成的单股 RNA，称 sgRNA，大幅简化了制作 CRISPR / Cas9 的过程。
他们的 CRISPR-Cas9 基因编辑系统是由 2 段 RNA （CRISPR RNA 和 tracrRNA）和切割酵素酶蛋白 （Cas9）所组成的复合式结构，CRISPR RNA 和 tracrRNA 扮演着导航者的角色，带领着 Cas9 蛋白复合体找到病毒的 DNA序列进而将其切割分解。其中，CRISPR RNA 是一段约 20 个核苷酸长度的 RNA 序列，透过序列互补来辨认目标 DNA 的位置，让 Cas9 蛋白进行双股 DNA 切割裂解（Double Strand Break），进而透过细胞本身的自然 DNA 修复机制或是给予人工的外源 DNA 片段作为模板，对于目标 DNA序列进行修补或是编辑。
该研究成果旋即发表在《Science》期刊，并且在隔年的一月份发表了 CRISPR 基因编辑在人类细胞的研究成果，不仅奠定 CRISPR/Cas9 成为基因编辑的重要里程碑，更点燃 CRISPR 基因编辑研究/应用领域群雄并起的烽火。
延伸阅读：CRISPR 基因编辑教母 Jennifer A. Doudna 访台演讲CRISPR 治疗癌症和遗传性疾病？ 静待更进一步的临床结果
2019 年 11 月，一项第 1/2 期临床试验结果指出，透过 CRISPR/Cas9 疗法 CTX001 编辑胎儿血红素（fetal hemoglobin）弥补一位输血依赖性 β 地中海贫血（transfusion-dependent beta thalassemia TDT）病人与另一名镰刀型红血球疾病（sickle cell disease, SCD）病人的携氧蛋白缺陷，改善其供血系统。另外，同年 10 月，中国科学家利用 CRISPR-Cas9 基因编辑造血干细胞的 CCR5 基因，以治疗爱滋病合并急性淋巴性白血病（acute lymphocytic leukemia, ALL）病人。美国宾州大学进行的另一项第 1 期临床试验，使用 CRISPR 编辑 T 细胞的 TCRα、TCRβ 和 PD-1 等三个基因并使它们失活，然后再将其送回癌症病人体内，期望能帮助免疫系统抑制癌细胞的生长。上述临床试验，都可能在 2020 年年底有更进一步的结果发表，值得关注。
CRISPR 编辑异种器官移植于人体可望进入人体试验
不仅疾病治疗，CRISPR 也能应用于异种器官移植领域，透过 CRISPR 编辑动物器官，降低免疫排斥，以替代人体器官或组织，有望缓解人类肝脏、心脏和其他器官的长期短缺。例如，哈佛医学院以及麻省理工学院（MIT）的George Church 教授利用 CRISPR 剔除所有猪内源性逆转录病毒（Porcine endogenous retrovirus, PERVs）的基因片段，也更对抗体反应、补体反应、细胞免疫反应等相关的基因进行编辑，解决免疫相容性问题，让这些猪只的器官有机会应用于人体移植。综合以上，该策略的新型临床试验将于 2021 年启动。
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期待 2020 年年底，有更多研究和临床试验是能证实 CRISPR 基因编辑技术越来越成熟与安全，以治疗人类相关疾病，改善整体生活品质。
首图来源：https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/
延伸阅读：基因编辑应用于临床治疗首例！Vertex 和 CRISPR 贫血患者治疗结果良好参考资料：
1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/
2. Science; Policy Scientific Community; doi:10.1126/science.aba7346
3. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03399448?term=CRISPR&draw=2
4. N Engl J Med 2019； 381：1240-1247 doi：10.1056/NEJMoa1817426
5. http://www.tang-prize.org/owner.php?cat=11&y=3
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