从救命神药到“基因编辑婴儿”，CRISPR为何成为争议的漩涡丨直击诺奖

2020年诺贝尔化学奖授予了埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德纳 ( Jennifer Anne Doudna），获奖原因是开发了一种基因编辑的方法。

上一次这个名字进入大众视野，还是2018年11月的“基因编辑婴儿”。

基因编辑技术是什么？

是谁发明了这个相当于金矿的技术，又是谁让它熠熠生光？为什么中间出现了利益之争？ 卡彭蒂耶、杜德纳和华人科学家张峰，有过怎样的较量？

这些问题，将在本文一一解答。

如果盘点一下生命科学最近五年的大新闻，有一个词是无论如何也绕不过去的，那就是“基因编辑”。

离我很远，不明觉厉，偏偏又经常听说——这也许是一般人对基因编辑的几个印象。抛开媒体的种种称赞反思深刻批判不谈，咱今天就事论事地来讲讲，这基因编辑究竟是个什么东东，又能带给我们些什么西西？

基因好好的，为什么要被编辑？

如果你想了解汽车某个零件的功能，你会怎么做？最简单粗暴的办法就是把这个零件拆了，改了或是多装几个，看看汽车会出现什么变化。

研究基因的过程差不多也是这回事：将生物的基因序列做某种改造，看看生物会因此出现什么变化，从而了解那个基因可能的功能。 把基因拆了、改了之类的操作，就可以叫做“基因编辑”。

不过，想拆螺母只要找个扳手，而编辑基因可就 艰难多了。基因是潜藏在细长DNA链中的一段段序列。对于包括人类在内的多细胞生物来说，DNA被细胞层层叠叠的膜结构保护着，还有非常严谨的DNA修复机制应变。可以想象，细胞当中的DNA犹如一个身处于城堡之中的“小公举”，身边还有一大堆仆从侍卫保护，想对它做什么手脚，并不简单。

动物细胞的DNA被层层叠叠的膜结构保护着。：Mariana Ruiz/commons.wikimedia.org

因此数十年来，科学家一刻也没有停止过寻找更高效的基因编辑工具。

派往基因的“特务”

经过仔细研究，科学家发现，那保护DNA的堡垒里安保人员虽多，但好在智商捉急。比如当基因受到损伤的时候，负责具体修复工作的蛋白质只是在细胞里拉一段DNA过来跟损伤的DNA比对一下，如果两者长得差不多，拉来的那段就被当做模板拿去修复了。

上世纪八十年代，奥利弗·史密斯（Oliver Smithies）等科学家就想了一招：故意塞给细胞一堆“假模板”。他们首先根据需要人工合成一些DNA，并且故意把这些DNA序列设计得和某个基因的序列有点像，然后将它们塞到细胞里面去。细胞果然没让人失望，真的就 拿“假模板”张冠李戴地修复了真的基因，结果把基因“修复”成了科学家所希望的样子。

奥利弗·史密斯（Oliver Smithies），遗传工程的奠基人之一，他也因此分享了2007年的诺贝尔生理或医学奖。：Chemical Heritage Foundation/commons.wikimedia.org

这种被称为“同源重组”的技术差不多就是最原始的“基因编辑”。只不过，这种“基因编辑”的前提是目标基因要自己出现损伤并启动细胞的修复机制。然而，DNA本就被重重保护，难得出现一丢丢损伤，你还要这损伤刚好出现在某个基因上，这种事可遇不可求呀。

不过，科学家的服务向来贴（xie）心（e）：你细胞的DNA不容易受损伤，我就帮你受伤嘛——送个“特务”去细胞里搞破坏就是了。可难的是得让这特务只破坏科学家希望他破坏的基因，而不伤无辜吃瓜基因分毫。这样高素质的特务，当时科学家费了老鼻子劲在自然界中找了二十几年也没找出来。

到了21世纪初，他们心一横想，既然世上没有，那干脆人工造好了。于是，两个“ 人造特务”出现了：一个是Sangamo公司主导研发的“锌指核酸酶”（Zinc-finger nucleases，ZFNs），令一个则是由全球众多科学家一点一点捣鼓出来的“转录激活因子样效应物核酸酶”（tranion activator-like (TAL) effector nucleases，TALENs）。

ZFN（a）和TALEN（b）与目标DNA结合示意图。：Doi: 10.1016/j.tibtech.2013.04.004

ZFNs和TALENs都由两个部分融合组成，其中一部分认基因特别准但是不懂破坏，另一部分破坏力超群但是脸盲。人们本希望这样的组合可以各取所长，成为出色的人造特务。但实际用起来，ZFN太傻不好使唤，TALENs既不够狠又不够准。虽然能凑活用，但常常令科学家吐血三升。

不行，还得换。

2003年，西班牙微生物学家弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica）给《自然》杂志投了个论文，惨遭拒稿。后来这篇论文又相继投递给了《美国科学院院刊》《分子微生物学》以及《核酸研究》等一系列期刊，但也都遭到了冷落。

弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica），CRISPR系统第一个发现者。：Roberto Ruiz/University of Alicante Image Workshop

原因无它，因为这个研究的结论实在是太奇怪了。

莫伊卡在论文中指出，细菌和古菌当中广泛存在一种免疫机制，可以记住之前感染过它们的病毒的基因特征，从而展开针对性的防御，大有“同一个招式不能对圣斗士用两次”的意思。在当时人们的观念中，这些单细胞的细菌、古菌何德何能有这种厉害的免疫系统？

直到2005年，莫伊卡的研究成果才被个比较一般的学术期刊《分子演化杂志》所接收。从此以后，一个新的术语开始进入了人们的视野——“规律成簇间隔短回文重复”（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），简称 CRISPR（读作“克瑞斯破儿”）。[注1]

在随后五六年里，CRISPR犹如一个吸引无数玩家参与的拼图游戏，一块又一块的拼图碎片被世界各地的玩家拼接到位。终于在2011年，属于CRISPR的最后一块关键碎片被埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanulle Charpentier）拼了上去。 她的论文昭示了CRISPR作为基因编辑工具的实力——科学家们苦苦寻觅的那位“天然特务”，或许近在眼前了。

埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanulle Charpentier），欧洲着名CRISPR专家，现代基因编辑技术的创始人之一。：Bianca Fioretti, Hallbauer & Fioretti/commons.wikimedia.org

技惊四座的CRISPR

当时，全世界研究基因编辑（那阵子还叫遗传工程）的专家正被用起来如砂石咯牙般的ZFNs和TALENs弄得苦不堪言，卡彭蒂耶的研究自然逃不过他们虎视眈眈的眼睛。不久之后，卡彭蒂耶就在美国微生物学学会上，遇到了那个后来为她带来无数荣誉与争议的人——詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）。

詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna），美国着名结构生物学家与基因编辑技术专家，与卡彭蒂耶共同开创了第一代CRISPR/Cas9技术。：Mrl611/commons.wikimedia.org

杜德娜是加州大学伯克利分校的结构生物学教授，在此之前主要研究跟RNA有关的生物大分子结构。说起来，基因编辑只能算是她的“副业”，但是副业并不意味着业余。杜德娜与卡彭蒂耶合作不到一年时间，就发表了一篇在基因编辑史上里程碑性质的论文。

在论文中，她们先是证明了一种拥有SpCas9蛋白的CRISPR系统（注：自然界不同细菌和古菌的CRISPR系统都有所不同）最适合作为基因编辑的工具，因此后来这套基因编辑工具又被称为CRISPR/Cas9技术。之后，她们又用这套系统成功编辑了大肠杆菌的基因，结果表明CRISPR/Cas9比起之前的ZFN和TALENs高到不知道哪里去。 CRISPR进军基因编辑领域的第一枪，就此漂亮打响。

而当杜德娜和卡彭蒂耶还在波多黎各谈笑风生时，一位来自麻省理工学院的科学家也敏锐地意识到了CRISPR的光辉前景，他的名字，叫做张锋。

张锋，CRISPR/Cas9技术创始人之一，世界最一流的CRISPR/Cas9专家，基因编辑技术的集大成者。：news.mit.edu

张锋不是一般人。在哈佛读本科期间，他师从于国际着名显微成像大牛，差一点拿诺贝尔奖的庄小威。读博时，他的导师是国际着名神经学技术大牛，长期挣扎着想拿诺贝尔奖的卡尔·戴塞尔罗斯。博士后时期，他工作在国际着名分子生物学大牛，准诺贝尔奖级研究者乔治·邱奇的实验室。在麻省理工学院工作阶段，他隔壁的实验室则属于一生多次与诺贝尔奖擦肩而过的鲁道夫·耶内施。

从高中开始，张锋已经接触基因编辑领域。当杜德娜与卡彭蒂耶率先发表出她们的学术成果时，其他人可能因为痛失先机而发出一声哀嚎，而张锋却一眼就看出了她们成果里那个小小瑕疵。

的确，CRISPR/Cas9是个好特工，但是杜德娜她们还没有把这个特工训练完全。对于细菌之类结构简单，DNA缺乏保护的细胞，当时的特工或许可以胜任，但包括我们人类在内的各种动物的细胞有着层层膜结构，DNA可谓身居堡垒之中，而杜德娜她们开发的CRISPR/Cas9根本就无法“潜入”堡垒深处，连DNA的面都别想见着，根本是有力使不出来。

张锋对CRISPR/Cas9做了几处微小而巧妙的修饰，一举解决了这个问题。在杜德娜的论文发表后半年左右， 张锋成了第一个用CRISPR/Cas9编辑哺乳动物细胞基因组的科学家。[注2]

可这下事情就比较微妙了，如果说杜德娜和卡彭蒂耶发现了一座金矿，那么张锋就相当于是最先找到了这个金矿中的金子。如果按照学术界谁先发现就归谁的惯例， CRISPR/Cas9的发现，就成了一笔糊涂账。

Cas9与引导RNA和目标DNA结合时的晶体结构示意图。：doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.001

名与利之歌：专利的游戏

化敌为友总是首选。一开始，张锋及其盟友希望能拉拢杜德娜等人，他们合伙开了家名叫Editas Medicine的公司，想着到时候专利共享，岂不美哉。可惜没过多久，杜德娜等人就和张锋等谈判破裂，单飞出去办了一家名为Intellia Therapeutics的公司。两个阵营关于CRISPR/Cas9的专利之争，摆上了台面。

按理说，杜德娜和卡彭蒂耶发表论文在先，申请专利也比张锋他们早得多，优势很大。但这愣是被张锋团队一套组合拳给破功了。首先，张锋团队借助一系列司法解释把CRISPR的专利拆成了好几十份，从法理上把“金子”和“金矿”的所有权分了开来，然后又花钱走了专利审核的“快速通道”，让他们的专利比杜德娜的更早获得通过。最后，他们还巧妙运用了美国时任总统奥巴马的一些新政策，提出这个专利的有效性要基于“谁先完成研究”而非“谁先申请专利”，为此张锋瞬间掏出了过去两年的详细实验记录，明明白白地记录着他早在杜德娜的论文发表之前就已经走在了她的研究进度之前（同学们，知道记实验记录的重要性了吧！）。过了整整九个月，杜德娜团队才整理出自己的实验记录来加以反驳。

2016年初，张锋的上司，博德研究所所长埃里克·兰德尔写了一篇争议巨大的综述《CRISPR英雄谱》，把张锋拔高到了无以复加的位置，而杜德娜则被归进了为CRISPR基因编辑技术奠定基础的芸芸众生之中。那边厢， 张锋果断宣布对学术界开放CRISPR/Cas9基因编辑的专利，只要研究不是出于商业目的，就可以随意免费地使用。不仅如此，他还把自己的研究资源（主要是质粒）放到公共库中，免费分发于天下。这一举赢得了整个学术界的支持。

更重要的是， 张锋团队很快就把CRISPR/Cas9玩出了花——自2013年至今，张锋发的论文之多足可用排山倒海来形容，随便哪一篇开拓这一片科研新天地。自CRISPR/Cas9发明以来，其一半重大突破都出自张锋之手，剩下的也多少用到了张锋免费分发的科研资源，几年下来，张锋在基因编辑领域一哥的地位几近无可撼动。2014年，美国专利商标局（USPTO)批准了张锋所在的博德研究所的专利请求，来自加州大学的上诉也在2016年被悉数驳回。

不过杜德娜的团队也不是吃素的。虽然博德研究所看似在美国全胜，可到了欧洲和中国等地，专利认证就站到了杜德娜一边。除此以外，杜德娜和卡彭蒂耶还频频在各种高级学术奖项和学术峰会亮相，比如在2015年她俩就获得了有豪华版诺奖之称的“生命科学突破奖”。所以目前就世界范围而言，两拨人马可谓势均力敌。

杜德娜与卡彭蒂耶共同荣获2015年生命科学突破奖。：independent.co.uk

神仙打架，技术得力

科学家们争来争去，其实也是因为CRISPR/Cas9造福于人的无限潜力。

作为定点破坏基因方面最强大也最便宜的“特务”，CRISPR/Cas9大大降低了修改基因，尤其是动物基因的成本与技术门槛。张锋等人掀起的那一股编辑动物基因的风潮，正前所未有地席卷全球各地的实验室。

现在，任何科学家想要研究一个动物基因，只需大手一挥：“给我把这个基因敲了！”“给我把那段DNA序列塞到这个基因里！”不消半年，就能“定制”一批基因修饰动物出来做研究。当年砸大钱问公司买动物模型的历史，已经一去不复返。

中科院的科学家利用CRISPR/Cas9技术制作的基因敲除猴。在CRISPR/Cas9技术发明以前，制作基因敲除的灵长类几乎是不可想象的事情。：doi:10.1038/cr.2017.81

将CRISPR/Cas9用在医疗上的尝试也已不鲜见。2014年，美国贝勒医学院教授张普民和他的研究团队通过CRISPR/Cas9制造出了能够产生人类白蛋白的特种猪。2016年初，来自三个机构包括张锋在内的多个研究组试图利用CRISPR/Cas9系统来治疗动物的一种名为“杜兴氏肌肉萎缩症”的遗传病，结果真的大大提高了它们的预期寿命和生活质量。而近期，乔治·邱奇的得意门生，张锋的师妹杨璐菡所带领的团队也备受关注：他们试图通过大规模基因编辑，让猪产生适合移植给人类的器官。

这些案例都不过是冰山一角。随着对CRISPR/Cas系统的理解越发深入，人们已经可以利用它执行更多类型的基因编辑任务。如果从前它只是一个基因剪贴板，那现在几乎能称得上是基因编辑界的瑞士军刀了。CRISPR/Cas引爆了全方位的技术突破， 毋庸置疑将生命科学带来进了新纪元。

CRISPR会造出弗兰肯斯坦的怪物吗？

不过，CRISPR/Cas9再强大也终究是一种工具，而人类现在在遗传学上毕竟道行尚浅，在某种意义上限制了工具的威能。就拿杨璐菡团队的工作来说，为了让猪长出可能适合移植到人类的器官，他们必须先清洗掉猪基因组当中的“内源性逆转录病毒”。

内源性逆转录病毒差不多就相当于已经被宿主“招安”了的病毒，两者不再互相伤害，甚至有些时候病毒还能给宿主帮上点忙。可要是猪的器官被移植到了人身上，猪的内源性病毒就又有了潜在风险。为了规避这些风险，杨璐菡专门把CRISPR/Cas9系统设计成“内源性病毒专杀工具”，将其注入猪的细胞中一次性消灭其中所有潜藏的内源性病毒。同时处理62个位点，那是CRISPR做过目标最多的单次编辑任务。

这第一步很成功。不过既然要的是猪器官，那只有细胞可不够——她得把这些猪细胞克隆成真猪。做这第二步，杨璐菡的团队用了两年时间，投入了庞大的财力人力才把他们所需要的猪给成功克隆出来。为啥这么难，至今也没人说得清楚。而如果真的要让猪为人类提供器官，那么除了这种内源性病毒以外需要改动的基因少说还有上百个，其中每一个都潜藏着无法预料的困难。 CRISPR在基因组编辑层面的工作做得再出色，也需要在后续环节有成熟的技术跟进。

这也是为什么大家并不需要担心，科学家会由于对基因理解有限而不小心造个弗兰肯斯坦的怪物出来。要做任何事，一件工具永远是不够的，我们需要的是一个“工具箱”，然而很多事情能不能做成，往往取决于工具箱里最差的工具。

另一个限制则来自科学共同体的审慎。它来自人们对于基因编辑伦理问题的争论。这场争论最核心的观点，就是人类胚胎（以及生殖细胞）的基因是否可以编辑——毕竟这种对基因的改变是会一代一代遗传下去的。 在现阶段，涉及基因组编辑的人类胚胎都在伦理委员会的监管下，确保不能发育成活人出生。

（ 注：本文写作于2017年12月。2018年11月，据人民网报道，南方科技大学生物系副教授贺建奎宣布，一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于11月在中国健康诞生。）

基因编辑的故事，到这里也就暂时告一段落。对于这个生命科学领域最尖端的科技，人们憧憬着，可能也惶恐着。而技术终究有自己的发展规律，不为尧存，不为桀亡。CRISPR和它的后继者们究竟能给基因编辑的故事续上怎样的下一章？技术的研发者之间又能擦出怎样令人喜闻乐见的火花？我们不妨擦亮双眼等着看。

注释：

注1：CRISPR这个名词并非莫伊卡提出，不过在此之前人们并不知道这些东西有何意义，所以起了个就事论事描述性的名字。注2：确切地说，这个“第一”需要和乔治·邱奇共享，因为他俩同时发表了这方面的论文，不过一般认为乔治·邱奇该论文的政治意义大于学术意义，所以在此暂不赘述。 参考文献

[1] Lander, Eric S. The Heroes of CRISPR. Cell. 2016. Volume 164 , Issue 1 , 18 – 28

[2] Capecchi, M.R. Gene targeting in mice: functional analysis of the mammalian genome for the twenty-first century. Nat. Rev. Genet. 2005; 6: 507–512

[3] Charpentier, Emmanuelle, and Jennifer A. Doudna. Biotechnology: Rewriting a genome. Nature. 2013. 495.7439 50-51

[4] Lander, Eric S. "The heroes of CRISPR." Cell 164.1 (2016): 18-28.

[5] Luhan Yang. et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science. 2015. DOI: 10.1126/science.aad1191

[6] Niu D. et al. Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9. Science. 2017. Sep 22;357(6357):1303-1307. doi: 10.1126/science.aan4187.

[7] Nelson et al. In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Science DOI: 10.1126/science.aad5143

[8] Long et al. Postnatal genome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy. Science DOI: 10.1126/science.aad5725

[9] Tabebordbar et al. In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle and muscle stem cells. Science DOI: 10.1126/science.aad5177

作者：鬼谷藏龙

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crispr cas9怎么达到基因敲除的

近日，中国科学家利用基因编辑技术——CRISPR/Cas9，对抑制狗骨骼肌生长的基因（MSTN）进行了敲除，培育出两只肌肉发达的“大力神”狗，成功构建了世界首个基因敲除狗模型。

科研人员所使用的“基因编辑技术”，顾名思义，能够让人类对目标基因进行“编辑”，实现对特定DNA片段的敲除、加入等。而CRISPR/Cas9技术自问世以来，就有着其它基因编辑技术无可比拟的优势，技术不断改进后，更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。

一、与诺奖“擦肩而过”的CRISPR/Cas9技术

这不是CRISPR/Cas9这项明星技术第一次得到人们的关注。在此之前，有着“豪华版”诺奖之称的“2015年度生命科学突破奖”颁发给了发现基因组编辑工具“CRISPR/Cas9”的两位美女科学家——珍妮弗·杜德娜和艾曼纽·夏邦杰。二人更是获得了2015年度化学领域的引文桂冠奖——素有诺奖“风向标”之称，曾被认为是今年诺贝尔化学奖的最有力竞争者。

那CRISPR/Cas9到底是一项什么技术，为何能够获得如此这般青睐，又何以在短短两三年时间内，发展成为生物学领域最炙手可热的研究工具之一，并有近700篇相关论文发表？它将来又会如何影响到我们的生活？

CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。与前两代技术相比，其成本低、制作简便、快捷高效的优点，让它迅速风靡于世界各地的实验室，成为科研、医疗等领域的有效工具。

基因编辑技术是什么？它是如何在医学领域应用的？

基因编辑技术不断发展，到现在已发展到第三代基因编辑技术。第三代基因技术CRISPR/Cas克服了传统基因操作的周期长、效率低、应用窄等缺点。作为一种最新涌现的基因组编辑工具，CRISPR/Cas能够完成RNA导向的DNA识别以及编辑。通过一段序列特异性向导RNA分子（sequence- specific guide RNA）引导核酸内切酶到靶序列处，从而完成基因组的精确编辑，因其操作简单、成本低、高效率，近几年成为炙手可热的基因编辑手段，目前已广泛用于模式生物研究，医疗，植物作物，农业畜牧等领域。

1 磨快CRISPR利器，加快科学发现CRISPR/Cas9的出现给了科研人员无限想象的可能，基于CRISPR/Cas9的技术很快就被广泛应用于全世界各个实验室中，这里我们将主要介绍最常用的几种应用。

早期，科研人员通过同源重组（HR）介导的基因打靶技术来实现基因编辑，但因效率太低，极大地限制了其应用。为了克服这一难题，一系列通过核酸内切酶介导的基因编辑技术被开发出来，通过这些核酸内切酶切割特定的基因组序列，借助细胞自身修复体系如非同源末端连接或同源重组修复方式，并由此达到改变基因组序列的目的，锌指核酸内切酶（ZFNs）、类转录激活因子效应物核酸酶（TALENs）以及sgRNA介导的Cas9核酸内切酶正是基于此原理工作的。

锌指核酸内切酶（ZFNs）和类转录激活因子效应物核酸酶（TALENs）均可通过蛋白-DNA相互作用识别基因组上的特定DNA序列并完成特定位点的切割，但是它们因效率低下、可选潜在位点少、成本高等原因极大地限制了它们的应用，直到CRISPR/Cas9系统的出现，科研人员才找到了一种成本低、效率高、简单易用的基因编辑工具。

CRISPR/Cas9出现之后，科研人员最先想到的便是将其运用到基因编辑上了，根据目标基因的外显子序列设计single guide RNA（sgRNA）并与含有Cas9编码序列的质粒一起转入细胞，sgRNA通过碱基互补配对的原则引导Cas9蛋白靶向目标DNA序列，Cas9蛋白会在该位点切割DNA，引发DNA双链断裂（DSB），此时细胞通过非同源末端连接修复（NHEJ）完成DNA的自身修复，

因修复过程中常常发生碱基的添加和丢失，而最终导致基因的移码突变从而达到基因敲除的目的，或者针对目的基因的上下游序列各设计一个sgRNA，从而引发该基因上下游同时发生DSB，再通过DNA损伤修复机制将断裂的上下游两端的DNA连接在一起，引发DNA片段缺失，从而达到基因敲除的目的。如果在此基础上为细胞引入一个修复的模板质粒，细胞就会以此模板进行同源重组修复，如果引入的修复模板是一个想要插入的基因，便可在特定的位置进行基因敲入了。

2 神奇的dCas9多功能工具包随着人们对Cas9研究的不断深入，Cas9发挥功能的结构基础也渐渐明确，在Cas9发挥切割DNA的功能时，它的两个结构域发挥着重要作用，分别是RuvC和HNH，其中HNH结构负责sgRNA互补链的切割，切割的位点位于PAM的5'端的第三个碱基外侧，RuvC结构域负责非互补链的切割，切割位点是在PAM上游的3-8碱基之间，当将这二者同时突变失活，便产生了失去DNA切割活性的Cas9蛋白了（dCas9），dCas9虽然失去了对DNA的切割能力，但依旧可以在sgRNA的引导下到达指定的DNA序列处，这是基于sgRNA–dCas9复合体的这一特征，若在dCas9上融合不同功能的结构域，便可在特定的DNA区域完成不同的修饰了，这便形成了基于CRISPR/dCas9的工具包了。

脑洞大开的科学家利用dCas9蛋白，开发出各种用途的工具，可谓是把CRISPR/dCas9利用得淋漓尽致，这里我们举几个简单的例子如研究人员针对目标基因的启动子序列设计sgRNA，使得sgRNA–dCas9复合体靶向结合到目标基因的启动子上，因dCas9蛋白带来的空间位阻可干扰转录因子的结合，从而引发在转录水平上的干扰基因表达的效果，而在此基础上为了达到更佳的干扰效果，一些能够引发基因转录阻遏的结构域也被融合到dCas9蛋白上，如KRAB（Krüppel-associated box）等。

既然可以通过CRISPR/dCas9实现基因表达的干扰，那是不是也可以通过CRISPR/dCas9实现激活基因表达呢？答案是肯定的。科研人员通过向dCas9上融合vp64（四个串联的vp16）、p65AD（p65 activation domain）等促进促进基因转录的结构域，实现基因的内源性激活，在经过各种优化之后，比如由vp64、p65AD和VPR（Epstein-Barr病毒R反式激活因子Rta47）组成的三联结构域（dCas9–VPR）就可以实现很高水平的内源性激活基因表达的效果了。

通过基于CRISPR/dCas9的基因表达干扰和内源性激活工具的建立，使得科研人员在进行诸如基因功能研究的工作时有了更为简单、高效且低成本的研究工具。这很大程度上为科研人员节约了时间和成本。

3 精准编辑表观遗传修饰表观遗传研究是近些年来非常火热的领域，DNA甲基化、组蛋白乙酰化等都在生物体中发挥着重要的生物学功能，而CRISPR/dCas9在表观遗传的研究中也成为了十分强大的工具。比如CRISPR/dCas9介导的靶向DNA甲基化修饰，我们知道在DNA甲基化过程中DNA甲基转移酶（DNA methytransferases，DNMTs）起着关键的催化作用，而且大部分DNA甲基化都发生在CpG岛，

因此研究人员尝试着将DNMTs的催化结构域融合到dCas9上形成dCas9-Dnmt3a3L，并通过sgRNA的引导靶向目标DNA序列的CpG附近催化其甲基化，以实现DNA甲基化的定点编辑。相似地，研究人员将在DNA去甲基化过程中起关键催化作用的TET1蛋白的催化结构域融合到dCas9上形成dCas9-TET1，同样的通过sgRNA的引导靶向目标DNA序列的CpG附近，可以实现去甲基化修饰。

再如CRISPR/dCas9介导的靶向组蛋白修饰，与靶向DNA甲基化修饰相似，一些和组蛋白修饰相关的酶包括组蛋白去甲基化酶（LSD1/KDM1A）、组蛋白乙酰转移酶以及组蛋白甲基转移酶等也被融合到dCas9蛋白上，以实现靶向组蛋白修饰。

除以上的应用外，CRISPR/dCas9还被用于其他多个领域，比如将EGFP融合到dCas9上，通过sgRNA靶向特定DNA序列实现基因组成像。此外，还有研究人员开发出基于CRISPR/dCas9的enChIP技术，以来探测特定基因组区域上的DNA-蛋白质相互作用，通过sgRNA靶向特定基因组基因座的标记dCas9的抗体免疫沉淀，之后通过蛋白质谱（enChIP-MS），鉴定与之特异性相互作用的蛋白质。这些工具的开发都极大地帮助了科研人员，使得之前无法实现的操作成为可能，推动了生命科学的快速发展。

4 基因及药物靶标基因的确定以往基于ZFN或TALENs的基因组编辑技术，需要针对DNA靶序列设计蛋白质，而CRISPR技术仅需要根据不同的靶序列合成相应的80nt左右的sgRNA来引导Cas9蛋白对序列进行修饰，这就实现了基因编辑技术的高通量应用。

CRISPR全基因组筛选技术可用于必需基因及药物靶标基因鉴定。多伦多大学Jason Moffa研究组建立了覆盖全基因组gRNA库并在5个细胞系中逐个敲除了1.8万个基因，最后鉴定出在不同细胞系间保守的1580个必需基因构成的“core fitness genes”。

同样，美国达纳-法伯癌症研究所W. Nick Haining研究组通过CRISPR/Cas9系统性地敲除了黑色素瘤细胞的2368个基因，发现ptpn2基因缺失会使这些癌细胞对PD-1阻断更加敏感。华盛顿大学医学院Michael Diamond研究组利用CRISPR/Cas9鉴定在宿主细胞中坚定了黄病毒感染所绝对必需的9个基因，其中spcs1基因缺失时，不仅降低黄病毒感染率，而且对细胞也不产生副作用，这将是一个潜在的黄病毒药物靶标。

5 疾病建模及器官供体产生CRISPR/Cas9作为新一代基因编辑技术，同样可被应用于建立疾病模型及培育供体器官。基因治疗可实现在患者自身细胞中纠正遗传缺陷，并结合其他生物学技术在体外培育出组织特异性的“类器官”，对于疾病建模、药物筛查及临床治疗等方面研究有极大意义。CRISPR介导的基因组编辑技术可以直接应用于非人类哺乳动物的疾病模型建立，将更有利于疾病致病机理和治愈研究。

此外，CRISPR技术还可应用于大型动物的基因编辑以研究免疫排斥及跨物种的疾病传染，从而解决异种移植器官来源的瓶颈，猪被认为是人体异种器官来源的首选动物，而目前猪器官用于人类的主要障碍为免疫排斥反应，及猪内源性逆转录病毒（Porcine endogenous retroviruses, PERVs）带来的医疗风险问题。eGenesis公司杨璐菡博士与哈佛大学George Church教授利用CRISPR进行基因改造一步让62个PERV pol 基因关闭，因而将来自PERV的传染风险降低了三个数量级，成功培育出不含PERVs的猪品系，作为安全有效的异种移植器官来源，这些研究让猪成为病人的器官来源更有前景。

6 基因疗法基因编辑技术可以准确地改造人类基因，达到基因治疗效果。中国科学院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组通过在小鼠胚胎中注射CRISPR/Cas9纠正白内障小鼠模型中的遗传缺陷，所产生的后代是可育的并能将修正后的等位基因传递给它们的后代。杜氏肌营养不良（DMD）是一种罕见的肌肉萎缩症，也是最常见的致命性遗传病之一，是由肌营养不良蛋白dystrophin基因突变引起。杜克大学Charles Gersbach研究组应用CRISPR/Cas9在DMD小鼠中将dystrophin基因突变的23外显子剪切，而合成了一个截短的但功能很强的抗肌萎缩蛋白，这是生物学家“首次成功地利用CRISPR基因编辑技术治愈了一只成年活体哺乳动物的遗传疾病”。

??CAR-T治疗简图，图片来自onclive.com

基因编辑技术联合免疫疗法在肿瘤及HIV/AIDS治疗具有广泛的应用前景。嵌合抗原受体T细胞（Chimeric Antigen Receptor T cell，CAR-T）细胞治疗是非常有前景的肿瘤治疗方法。CAR-T细胞疗法在B细胞恶性血液肿瘤治疗中已经取得硕果。中科院动物研究所王皓毅研究组利用CRISPR/Cas9技术在CAR-T细胞中进行双基因（TCRα subunit constant 和beta-2 microglobulin）或三基因（TRAC，B2M及programmed death-1）敲除。美国斯隆凯特林癌症纪念中心Michel Sadelain研究组发现CRISPR/Cas9技术将CAR基因特异性靶向插入到细胞的TRAC基因座位点，极大增强了T细胞效力，编辑的细胞大大优于传统在急性淋巴细胞白血病小鼠模型中产生CAR-T细胞。

继诺华的Kymriah以及Gilead （kite Pharma）的Yescarta接连上市，CRISPR Therapeutics公司也在应用CRISPR/Cas9基因编辑技术开发同种异体CAR-T候选产品。2016年10月，四川大学华西医院的肿瘤医生卢铀领导的一个团队首次在人体中开展CRISPR试验，从晚期非小细胞肺癌患者体内提取出免疫细胞，再利用CRISPR/Cas9技术剔除细胞中的PD-1基因更有助于激活T细胞去攻击肿瘤细胞，最后将基因编辑过的细胞重新注入患者体内。

7 致病菌及抗病毒研究微生物种群与人体医学，自然环境息息相关。北卡罗来纳大学Rodolphe Barrangou与Chase L. Beisel合作通过使用基因组靶向CRISPR/Cas9系统可靶向并区分高度密切相关的微生物，并程序性去除细菌菌株，意味着CRISPR/Cas9系统可开发成精细微生物治疗体系来剔除有害致病菌，人类将有可能精确控制微生物群体的组成。以色列特拉维夫大学Udi Qimron将CRISPR系统导入温和噬菌体中在侵染具有抗生素抗性的细菌以消灭此类细菌，CRISPR系统已具有成为新一类抗生素的潜力。Locus BioSciences公司也在开发在噬菌体中开发CRISPR系统以达消灭难辨梭菌的目的。

弗吉尼亚理工大学Zhijian Tu研究组在雄蚊子中进行M因子基因编辑，可以导致雌雄蚊之间的转化或雌蚊的杀戮，从而实现有效的性别分离和有效减少蚊子的数量，也将减少寨卡病毒及疟疾等传播。

基于CRISPR治疗不仅可以应用于根除共生菌或有益菌群的病原体，也可应用于靶向人类病毒，包括HIV-1，疱疹病毒，乳头瘤病毒及乙型肝炎病毒等。具有纯合的32-bp缺失（Δ32）的CC趋化因子受体5型（CCR5）基因的患者对HIV感染具有抗性。因此加利福尼亚大学Yuet Wai Kan在诱导多能干细胞iPSC中利用CRISPR系统引入纯合CCR5Δ32突变后，诱导分化后的单核细胞和巨噬细胞对HIV感染具有抗性。天普大学Kamel Khalili 课题组应用CRISPR/Cas9系统在宿主细胞基因组中精确编辑HIV-1 LTR U3区，从而在将艾滋病病毒从基因组中剔除。

8 核酸诊断及细胞事件记录Cas12a （Cpf1）属于CRISPR家族另一核酸内切酶，它也可被gRNA引导并剪切DNA。但是，它不仅可以切割相结合的单链或双链DNA，也剪切其他的DNA。近日，加州大学伯克利分校Jennifer Doudna研究组开发了基于CRISPR的一项新技能——基因侦探（DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter (DETECTR)）。利用单链DNA将荧光分子和淬灭分子连接构建成一个报告系统，当CRISPR-Cas12a在gRNA引导下结合到目标DNA并发挥剪切作用时，报告系统中的DNA也被剪切，荧光分子将被解除抑制。此系统在致癌性HPV的人的DNA样品检测HPV16和HPV18变现极佳。

布罗德研究所Feng Zhang研究组开发的基于CRISPR的2代SHERLOCK （Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing），原理是利用Cas13a被激活后，可以切割除靶序列外其他的RNA的特征，引入了解除荧光分子的抑制。此工具可实现一次性多重核酸检测，可同时检测4种靶标分子，额外添加的Csm6使得这种工具比它的前身具有更高的灵敏度，并将它开发成微型试纸条检测方法，简单明了易操作，已被研究人员成功应用于RNA病毒，如登革热病毒和寨卡病毒，及人体液样本检测。

Broad研究所David R. Liu研究组利用CRISPR/Cas9开发了一种被称为CAMERA（CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus）的记录细胞事件的“黑匣子”他们利用这个系统开发出两种细胞记录系统，在第一种被称为“CAMERA 1”的细胞记录系统中，研究人员利用细菌中质粒的自我复制但又严格控制其自身数量的特征，

将两种彼此之间略有不同的质粒以稳定的比例转化到细菌中，随后在接触到外来药物刺激时，利用CRISPR/Cas9对这两种质粒中的一种进行切割，通过对质粒进行测序并记录两种质粒比例的变化来记录细菌接触外来刺激的时间。另一种细胞记录系统被称为“CAMERA 2”，它利用基于CRISPR/Cas9的碱基编辑系统实现在细胞内特定信号发生时改变遗传序列中的单个碱基，以此实现对诸如感染病毒、接触营养物等刺激的记录。这套技术的出现将很大程度的帮助人们进一步了解细胞的各类生命活动的发生发展规律。

9 人类胚胎基因组编辑2015 年 4 月，中山大学的黄军利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，同源重组修复了胚胎中一个引发地中海贫血β-globin gene （HBB）的突变。

??图片来自kurzgesagt.org

2016年，广州医科大学的范勇团队在三原核受精卵中，应用基因编辑技术CRISPR受精卵中的基因CCR5进行编辑引入CCR5Δ32纯合突变由于当时脱靶效率问题突出，产生了镶嵌式的受精卵。

2017年8月2日，俄勒冈健康与科学大学胚胎细胞和基因治疗中心Shoukhrat Mitalipov研究组公布了其应用CRISPR在人类胚胎中进行DNA编辑的结果，纠正了突变的MYBPC3基因，其突变会引起心肌肥厚并将年轻运动员猝死。

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