CRISPR十周年：生命细叶谁裁出？

2022-07-07 03:07

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2012年6月28日，生物医学迈入了一个崭新的纪元。这一天，Science在线发表了一篇里程碑式的论文，介绍了后来被简称为CRISPR的全新基因组编辑工具。法国生物化学家 Emmanuelle Charpentier 和美国生物化学家 Jennifer Doudna凭借此成就获得了2020年度的诺贝尔化学奖。作为一种新型基因编辑工具，CRISPR/Cas9 技术切割效率相对较高且操作简单，并且可以同时进行多位点的编辑。十多年来，这种被称为“基因魔剪”的编辑工具成为了生物化学领域应用最为广泛的新技术之一，有力的推动了各个相关领域的发展。

Jennifer Doudna（左）和 Emmanuelle Charpentier（右）获得诺贝尔奖

图源：© NOBEL PRIZE OUTREACH

基因驱动

基因驱动（gene drive）最早在2003年由伦敦帝国理工学院的进化遗传学家 Austin Burt 提出，是一个能够快速将特定性状扩散到群体中去的系统。这种等位基因传播可以让科学家将能产生特定优势性状的基因加入到动植物的基因序列中。但是在CRISPR 应用于这一领域之前，这种改造是非常复杂的。CRISPR让这个过程变得更加简化和精确，有力的推动了相关研究的发展。如2015年，科学家创造了大量对疟疾寄生虫有抵抗力的蚊子；在2019年，研究人员设计出了后代更有可能发出红光的小鼠，首次成功地在哺乳动物中实现了基因驱动。

基因筛选

在 CRISPR 出现之前，RNA 干扰 (RNAi) 是用于识别与疾病相关的突变或评估细胞中潜在药物靶标的主要技术。从本质上讲，RNAi 技术是设计一种与信使 RNA 结合的 RNA 链，从而阻止特定基因产生蛋白质。但是 CRISPR 能够找到更有效和特异性的靶向和抑制，因此 CRISPR/Cas9 迅速被应用于大规模基因筛选。

一个指导RNA库——每一个都针对一个基于CRISPR的干扰的独特基因，并携带一个独特的条形码序列——被引入一群细胞，其浓度会让每个细胞都分配到一个指导RNA。然后将单个细胞分选到带有独特条形码polyT引物的液滴中，用于提取细胞的mRNA。对RNA进行测序可以发现引入的基因突变(由指导RNA决定)和这种干扰的转录效应(由携带细胞特异性条形码的mrna集合决定)。

图源：© GEORGE RETSECK

例如，科学家将 CRISPR 筛选与类器官和条形码技术相结合，在2021年发现了新的小头畸形调节因子，这是一种会导致婴儿出生时头部异常小的疾病。2016年，科学家开始使用CRISPR筛选来寻找开发有效的癌症免疫疗法所必需的基因，或识别非编码DNA中的增强子。

病毒和大分子检测

CRISPR 可以用于针对特定基因序列进行检测，基于这项技术可以开发专用的、快速、廉价地检测寨卡病毒、HPV 和埃博拉病毒等病原体。DETECTR是Jennifer Doudna实验室开发的诊断系统，于2018年首次亮相，通过检测核酸序列来实现这一功能。DETECTR使用一种不同的Cas酶—Cas12a，它在与目标序列结合后切割单链DNA。最初，该团队将CRISPR/Cas12a靶向人类乳头瘤病毒的序列，包括一种切割时会发光的警报DNA分子，使任何阳性样本都更容易被发现。麻省理工学院张峰开发的一个类似的工具称为SHERLOCK，已经具备了区分因单点突变而不同的序列的能力，这表明它可以用于DNA基因分型以及识别病原体变异和癌症突变等领域。

3D 打印的 miSHERLOCK 设备，检测到特定序列会发光。

图源：WYSS INSTITUTE AT HARVARD UNIVERSITY

CRISPR 的目标特异性可以延伸到核酸之外。另一个基于 CRISPR 的系统，称为 CAMERA，可以记录来自人类和细菌细胞的数据。在 CAMERA 中，引导分子仅在某些条件下产生，例如存在抗生素时。一旦产生，CRISPR系统会剪断某些DNA质粒，但不会剪断其他质粒，当靶向质粒被细胞破坏时，非靶向质粒不会被破坏。通过测量这两种质粒之间的比例，研究人员可以确定细胞是否暴露于某种条件下。这种工具也可用于生物传感器，以检测环境中是否存在抗生素、营养素或毒素等特定分子。

基因治疗

CRISPR 也打开了基因治疗的大门:精确改变基因组来治疗或预防疾病。基因治疗于2017年首次在人类中实现，使用ZFNs技术，这是一种在CRISPR-Cas 之前很流行的基因编辑技术。而CRISPR首次用于编辑活体患者体内的基因是在2020年，波特兰俄勒冈健康与科学大学的医生向病人的视网膜后面注射了一种被编码在病毒载体中的基因组件，以治疗Leber先天性黑内障病（LCA10）。基于CRISPR的基因疗法的其他试验性方法也在推进中，包括治疗淀粉样变性和b-地中海贫血等疾病的试验。

CRISPR/Cas9 的艺术渲染

图源：© ISTOCK.COM，MELETIOS VERRAS

治疗方法

CRISPR 应用于医疗领域也不一定要直接针对患者的基因组，在其他治疗方法中应用CRISPR的新构思正在验证中。例如，生物技术公司 Eligo Bioscience 正在开发基于CRISPR的方法，目标是精确靶向携带寻常痤疮相关基因的痤疮角质细菌。另一些研究人员正在使用CRISPR修改CAR T细胞，这是一种癌症免疫疗法，患者的T细胞被重新编辑，从而能够针对癌细胞进行精准破坏。

农作物和牲畜改良

使用 CRISPR 改造的猪对PPRS病毒具有抗性。

图源：NORRIE RUSSELL

农业和畜牧业是人类获取食物的主要方式，几千年来，人们曾经凭借经验和运气改良了其中不少的品种，而现在，科学家们可以使用基因技术更精确地产生具有高产量、高抗病性、改善营养比例和其他有益特性的动植物品种。在 CRISPR 出现以前，ZFNs和TALENs 两种技术已经被应用于这一领域，但是 CRISPR 具有更高的效率和更低的成本，正在成为一种主流改造技术。

基础研究

与其他基因编辑技术相比，CRISPR 的低成本、精确性和易用性使其成为各种研究领域的首选技术。

在2021年的一项研究中，科学家将长颈鹿与其他反刍动物相比差异最大的基因FGFRL1插入了小鼠的体内，他们发现细微的变化表明长颈鹿的FGFRL1 增强了它的骨骼和血管，更适应其独特的生活方式。
研究人员使用 CRISPR 编辑的埃及伊蚊来发现人类皮脂中的特定化合物，这些化合物标志着特定人群对昆虫具有更强的吸引力。
2022 年的一项研究中，研究人员使用一个名为CRISPR-d/Cas9的姐妹系统逆转了表观遗传标记，并减少了大鼠的焦虑和嗜酒行为，这表明关注表观基因组有助于治疗酗酒行为。