疯狂！可改变人类独一无二的DNA，详解CRISPR-Cas9基因编辑技术

2020年10月7日，诺贝尔化学奖被授予德国埃马纽埃尔·沙尔庞捷教授和美国珍妮弗·杜德纳教授，获奖评语如下：以表彰她们发现CRISPR-Cas9“基因剪刀”基因组编辑方法。而随着这一奖项的揭晓，也让人不自觉地将目光投向2018年的“基因编辑婴儿事件”。

2018年11月25日，贺建奎博士宣布，世界首例免疫艾滋病的基因编辑婴儿露露和娜娜在中国诞生，她们都使用CRISPR进行了基因工程。要想了解CRISPR技术，我们首先需要了解DNA，DNA由氮和碳基环组成，形成4个不同的化学代码：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、和胸腺嘧啶（T）。

这些代码形成了一个易于复制的双链分子，以三个一组的形式读取，称为密码子（codon），包含在称为基因的结构中。这些基因只是DNA中编码结构更复杂的蛋白质部分，这些蛋白质反过来又形成了地球上所有生命所需的生物机器和结构。

而贺建奎使用CRISPR-cas9技术改变了露露和娜娜的DNA代码，从而改变了一切。CRISPR-cas9技术，顾名思义，主要依赖于两个关键部分：CRISPR和cas9。CRISPR是1987年由日本科学家石野良纯在细菌DNA中偶然发现的一种重复DNA结构。在这一发现之后的17年里，这些DNA重复序列的作用一直未被发现，直到它被确定为细菌识别和保护自己免受病毒DNA入侵的手段。

原来，这些DNA重复序列实际上来自病毒。细菌有能力切割入侵的病毒DNA，将其储存在自己的DNA中，然后将其用作在Cas9上，如果病毒将来再次入侵，Cas9会破坏病毒DNA序列。为了做到这一点，Cas9使用存储的DNA制造一种叫做向导RNA（引导核糖核酸）的东西。这种向导RNA通常由CRISPR重复编码，并将CRISPR引导到它应该切割的DNA。

但CRISPR与其目标结合有两个条件。首先Cas9必须结合目标序列和DNA中的特定代码变异，称为PAM（原型间隔区相邻基序）。大多数PAM可以被Cas9识别，因为它们包含代码，这使细菌能够靶向破坏病毒DNA。

在过去的5年时间里，我们已经学会了利用这种能力来引导Cas9和我们自己设计的向导RNA改变其他生物的基因组。向导RNA与称为Alpha-Helical Lobe的Cas9部分结合。反过来，Cas9的另一个结构域，即核酸酶叶与引导RNA匹配的DNA链中任何侧翼部分结合，导致DNA的双螺旋结构解开。

DNA与Cas9复合物之间的接近度，以及RNA与DNA之间发生的静电相互作用促进了这一过程。此时，核酸酶叶的2个特定结构域切割DNA，这是在DNA的两个位点完成的，一个在目标位点（HNH）切割DNA，另一个在非目标位点（RuvC）切割DNA，在这一点上，可能会发生许多事情，例如修改Cas9会包含一种脱氨酶，该酶可以针对特定碱基进行突变，从而导致全新的突变。

一种被称为同源定向修复的过程，可用于在切割位点插入新的DNA，或者，简单地切下并移除目标DNA片段。贺建奎选择了后一种选择，从CCR5的基因中切下一段，被切割的部分对应于一种称为delta32的突变，使其不受HIV的影响。

但对人类的遗传密码进行非特异性改变是一个危险信号，正是出于这个原因，贺建奎“基因编辑婴儿事件”在国内外引起了广泛关注，最终贺建奎被他所在大学开除，并被处以罚款和三年监禁……

毫无疑问，CRISPR-Cas9是一个强大的工具，它使基因编辑变得更快、更准确、更便宜、更容易操作，也可以应用于很多方面，包括人类医学、农业和生物燃料等，是一项具有社会颠覆性的技术。

正如诺贝尔奖得主杜德纳教授所说，我们需要思考这种强大的技术可能带来的广泛影响，还要思考如何以负责任的方式来开发这类技术。而根据世界卫生组织人类基因组编辑（HGE）登记处的数据，截至2020年10月，有115项使用人类基因组编辑技术的临床试验正在进行中，其中包括镰状细胞病和β地中海贫血等分布广泛的遗传疾病。

2020年3月，第一个CRISPR-Cas9基因疗法被施用于患有被称为LCA10的罕见疾病的人，这种疾病会导致儿童失明，目前没有其他治疗方法。在上述情形下，该疗法被用来去除导致这种疾病的基因（CEP290）突变。