CRISPR：革命性的基因编辑技术

CRISPR：革命性的基因编辑技术

CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）是一种革命性的基因编辑技术，源自细菌的天然免疫系统。它通过精确识别和切割特定DNA序列，为基因治疗和生物研究开辟了新途径。然而，这项技术也引发了关于基因编辑伦理的广泛讨论。

CRISPR，全称为成簇规律间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats），是大多数细菌基因组中发现的DNA短回文重复序列，这些序列被所谓的间隔元件或间隔区打断，这些间隔区来自之前遇到的细菌病原体的基因组。

自然防御系统

作为一种自然发生的适应性防御系统，CRISPR通过破坏入侵细胞的病原体核酸来发挥作用。CRISPR免疫的有效性和效率直接与间隔元件的存在相关。间隔元件本质上是与病原体基因组中的序列相匹配的识别序列；随着新遇到的病原体的间隔元件被添加到细菌基因组中，细胞获得了识别这些病原体的能力。大多数新的间隔元件只在CRISPR区域的一端插入；因此，在CRISPR区域的长度上存在一个记录，记录了细胞及其祖先随时间遇到的病原体。较少见的是，间隔区在其他位置插入的过程称为异位整合。

CRISPR系统通过产生与特定DNA靶标相对应的小“引导RNA”序列来工作。通过转录CRISPR区域生成的引导RNA包括来自回文重复序列的发夹结构，这些结构与来自间隔元件的序列相连。当引导RNA与其DNA靶标结合时，形成RNA-DNA异源双链。异源双链与称为CRISPR相关（Cas）的核酸酶结合，该核酸酶催化在引导RNA中靶标特异性序列和回文重复序列之间的位置附近切割双链DNA。通过这种方式，核酸酶破坏入侵的病原体基因组。

CRISPR与多种Cas蛋白相互作用作为防御反应的一部分，因此存在不同的CRISPR-Cas防御系统。主要有三种系统：I型、II型和III型。I型系统由Cas3蛋白的存在定义。Cas3是所谓的CRISPR相关复合物（或Cascade）样复合物的一部分，该复合物结合引导RNA并识别要破坏的目标序列。II型系统基于几种蛋白质的存在，即Cas1、Cas2、Cas9，以及在某些情况下Cas4。Cas9蛋白被认为是II型系统的标志性元素，因为它在促进细胞适应新病原体方面发挥着关键作用，并参与RNA处理和靶DNA的切割。III型系统的标志性蛋白是Cas10。III型系统与其两个对应物不同，因为它不仅针对DNA，还识别RNA靶标。

在基因编辑中的作用

CRISPR系统的高序列特异性在基因编辑领域引起了极大的兴趣。CRISPR的功能精度使研究人员能够在基因组中的所需位置去除和插入DNA，从而有可能纠正动物的遗传缺陷，并修改胚胎干细胞中的DNA序列。这些类型的序列校正和改变是可能的，因为RNA-DNA异源双链是稳定的，并且设计与特定目标DNA序列特异性结合的RNA序列基于简单的沃森-克里克碱基配对规则（腺嘌呤与胸腺嘧啶[或RNA中的尿嘧啶]结合，胞嘧啶与鸟嘌呤结合）。

2012年，美国科学家Jennifer Doudna、法国科学家Emmanuelle Charpentier及其同事首次认识到使用CRISPR作为基因编辑技术的可能性。这些研究人员发现，CRISPR产生的引导RNA与核酸酶结合，然后靶向特定的DNA序列，并且这些RNA可以被修改以结合所需的序列。研究人员发现II型CRISPR-Cas9系统特别适合于纠正或改变所需的目标序列。Doudna和Charpentier因他们的工作而共同获得2020年诺贝尔化学奖。

2015年，美国科学家Feng Zhang及其同事开发了一种新的CRISPR技术版本，使用Prevotella和Francisella 1（Cpf1）微生物核酸酶代替Cas9。与Cas9不同，Cpf1只需要一个CRISPR引导RNA来实现特异性，并在双链DNA中引入错位（而不是钝）切割，在某些情况下可以对目标DNA序列的修改提供更大的控制。Zhang及其同事随后开发了多个其他CRISPR基因编辑工具，包括靶向RNA的CRISPR-Cas13系统。

CRISPR技术的应用

CRISPR基因编辑技术具有广泛的研究和医疗应用。例如，在实验室中，CRISPR系统可用于修改细菌和动物及植物模型中的基因，使研究人员能够获得对基因修饰效果的新认识。虽然预先存在的基因工程技术几十年来已经允许研究人员研究各种类型的基因修饰和改变，但CRISPR成本更低、效率更高、更可靠。

此外，不同的CRISPR基疗法正在临床试验中探索用于治疗某些人类疾病。一些例子包括糖尿病的新疗法；镰状细胞病；血液形成组织的癌症，如多发性骨髓瘤、白血病和淋巴瘤；慢性感染性疾病，如艾滋病；以及一种称为Leber先天性黑蒙的遗传性视力损害。对人类中CRISPR基疗法的研究正在帮助揭示CRISPR酶诱导的DNA改变如何影响细胞，人类免疫系统如何对CRISPR衍生的干预作出反应，以及与DNA的意外脱靶改变相关的风险。

2023年，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了第一种CRISPR基治疗。这种疗法被称为Casgevy，被批准用于治疗受严重镰状细胞病影响的患者以及患有β地中海贫血的患者，这是一种以血红蛋白缺乏为特征的血液疾病。Casgevy成本高昂，需要密集的治疗方案，包括多次输血以提取患者干细胞。提取的细胞用Casgevy处理，该处理编辑并因此破坏抑制正常血红蛋白产生的基因；然后将编辑后的细胞重新输入患者体内。在重新输入之前，镰状细胞病患者还会接受化疗以破坏其骨髓并去除任何剩余的镰状细胞。

伦理考虑

使用CRISPR技术轻松准确地编辑基因引发了重要的伦理问题。特别是，CRISPR可用于修改人类胚胎干细胞中的DNA序列，例如在人类的生殖系（精子和卵子）基因组修饰中。批评者指出，这种能力，如果应用于子宫中的胚胎，可能会用于改善智力、外貌和运动能力等特征，可能会在人类DNA中引入永久性变化。这种“设计婴儿”的产生引发了关于干扰人类发育的道德和谁将有权获得这项技术的伦理的辩论。世界上第一批基因编辑婴儿于2018年底在中国出生；这对双胞胎携带一个编辑过的基因，该基因降低了HIV感染的风险。

在基因编辑婴儿出生后，包括Charpentier在内的医学和生物伦理学研究人员呼吁对编辑人类基因的蛋白数、精子或胚胎实施暂停。他们认为，由于这项技术仍存在许多未知因素，科学家可能会无意中引入与他们试图修复的遗传错误一样多的错误。然而，批评者认为，CRISPR技术是一项非凡的成就，具有显著改善人类健康的潜力，尽管是在严格控制的条件下。

本文原文来自Britannica