为了想要在宏观尺度上创造出新材料和新功能，而在原子和分子尺度上对物质加以理解和控制，是纳米科学和纳米技术的核心。 含有生物的生长和发育信息的双螺旋分子——DNA，可被看作是一种终极的纳米结构。在分子水平上操控DNA或许能为所有生物物种都带来巨大的影响。
获得2018年卡弗里纳米科学奖（Kavli Prize in Nanoscience）的三位科学家，研发了一种能选择性的剪切特定基因片段的工具，通常被称为CRISPR-Cas9。这种基因编辑方式不仅能帮助我们理解基因是如何工作的，还在很多领域都具有实际应用：从治疗癌症、到编辑胚胎中致病性的基因突变、再到革命性地改变食物生产、甚至复苏已灭绝的哺乳动物，CRISPR应用的广泛程度是惊人的。很多人认为，CRISPR技术是这个世纪最大的突破之一。
○ Emmanuelle Charpentier、Jennifer A. Doudna 和 Virginijus Šikšnys荣获了2018年度的卡弗里纳米科学奖，以表彰他们为基因编辑技术的发展所作出的杰出贡献，从而开启了生物、农业和医学的新篇章。
CRISPR-Cas9基因编辑工具的研发是基于25年对细菌和古生菌DNA的研究。早在1987年，一组日本科学家发现大肠杆菌的DNA序列是由许多被间隔分开的相同片段组成的。这些重复的片段呈回文式，也就是说无论从哪个方向观察，它们的碱基序列的读取完全相同。出于这个原因，这些序列被称为“常间回文重复序列丛集（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）”，缩写为CRISPR。
在随后的几年中，科学家在其他类型的原核系统中也观察到了CRISPR序列。之后他们发现，这些间隔实际上是细胞用来检测和消除病毒的病毒DNA拷贝。重要的是，科学家已经证明当细菌暴露于病毒环境时，间隔的数量会增加。换句话说，CRISPR序列为生物体提供了适应性免疫系统。
○ 基因“魔剪”。| 图片来源：Javier Zarracina
细胞使用CRISPR序列作为防御机制的方式涉及到一种被称为Cas（CRISPR-associated）的酶，它与作为CRISPR DNA的间隔之一的拷贝产生的RNA分子链相连。一旦具有特定DNA序列的病毒进入细胞，就会与RNA匹配，Cas酶就会使其失活。
截至到2012年，相关的研究已为CRISPR的运作方式提供了重要信息。在那一年，两个独立的研究小组展示了应该如何利用及控制CRISPR-Cas系统。更具体地说，是使用特定类型的Cas酶的版本——Cas9。
其中一支科研团队是由伯克利的Jennifer Doudna和当时在瑞典于默奥的Emmanuelle Charpentier领导的，另一支研究团队则由立陶宛维尔纽斯的Virginijus Šikšnys所领导。这两组科学家均报道了从细菌中分离出Cas9-RNA复合物，以及在体外证明Cas9可用于切出与RNA序列相匹配的外部双链DNA序列片段（下图）。实验结果显示Cas9酶可被有效地用作为一副纳米剪刀，能选择性地切出由RNA选择的片段，从而进行基因修复、或修正基因中造成遗传疾病的突变。
○ CRISPR-Cas9系统的示意图。 Cas9酶（橙）在由RNA（红）选择的位置上剪切DNA（蓝）。| 图片来源：CARLOS CLARIVAN / SCIENCE PHOTO LIBRARY / NTB Scanpix
一般来说，一旦DNA受到损坏，细胞就会通过将松散的末端缝合在一起，或插入一个新的片段对它进行修复。这一过程构成了基因编辑的基础。在Doudna、Charpentier和Šikšnys发现结果之前，基因编辑方法涉及到的是DNA蛋白之间（主要是锌指核酸酶和类转录激活因子效应物核酸酶）结合的复杂系统。而CRISPR-Cas9方法则要简单得多，它仅需基于DNA-RNA连接。早在2013年初，一些报告证实，可以通过CRISPR-Cas9来影响人类和植物的DNA，为该技术在基因编辑中的潜力提供了进一步的证明。
鉴于CRISPR-Cas9的简单性，世界各地的许多研究团队都已致力于探索它在各种生物医学应用中的潜力。基因编辑可以通过从患者DNA中移除致病的突变，而具有治疗遗传疾病的潜能。在最初的体外实验之后，研究人员进行了体内实验，CRISPR-Cas9被注射到了动物模型体中。早期的一个例子是治疗小鼠的杜氏肌营养不良症。其他研究集中在囊性纤维化上。除此之外，科学家还探索了它在其他一些癌症类型中的应用，这促成了美国国立卫生研究院批准的一项临床研究，以及一些主要在中国进行的研究。
CRISPR-Cas9的抗病毒起源还启发了科研人员探索它在其他抗击病毒感染（如乳头瘤病毒和乙型肝炎）中的应用。在抗击艾滋病（HIV）病毒方面也获得了令人欣喜的结果，在许多动物模型中HIV病毒都显示出了退化效应。
○ 由CRISPR-Cas9诱导的基因突变而引起的蝴蝶外观变化。左边显示的是野生型，右边为突变型。| 图片来源：PNAS 114,10701-10706（2017）
除了治疗应用，基因编辑也能以其他目的用于动植物身上。通过对负责某一物种的某个特征的基因进行修改或消除，就有可能彻底地消除这一特征，这可以是外观特征（上图）、还可以是携带病毒能力的特征。例如实验已经证明，可以用CRISPR-Cas9让疟蚊突变，使它们有可能获得抵抗疟原虫的能力。最重要的是，这种突变可以遗传到每一只昆虫后代的身上。如果成功，这种类型的研究或许对由昆虫传播的疾病产生巨大影响。
性状突变同样也可能用于繁殖牲畜，例如让动物更强或更耐病毒。科学家已经在煮的身上实现了耐病毒这一点。以类似的方式，通过植物中的突变基因，或许能有效地改善农业。实验工作已经生产了具有更好的抗病虫害、或抗不利天气条件（如干旱）的农作物。甚至连果蔬的大小、颜色或味道等都可以受到改变（下图）。
○ 由CRISPR-Cas9诱导的两种基因突变对番茄的影响。左图显示的是只有两个小室的野生型番茄；中间和右边的图显示了因两种不同基因突变导致结果，分别产生6个和12个小室。| 图片来源：Nature Genetics 47，784-792（2015），由Macmillan Publishers Ltd提供
值得一提的是，鉴于CRISPR-Cas9基因编辑工具的巨大潜力，在使用它时我们更需要具有很强的责任感。它能带来的益处是巨大的，尤其是因为这一技术相对简单的特点，能被大量科学家和商业企业加以应用。但是，人们对其潜在的滥用和负面作用存在着严重的担忧。试想一下通过在胚胎中修改基因以改变人的特定性状、或通过引入后代可以遗传的突变这类事件可能产生的伦理问题。就算没有这么极端，只是出于其潜在的有益目的，改变动物或植物也可能对整个生态系统造成灾难性的影响。目前，一些正在进行的研究试图理解在任何物种类型中引入基因突变所具有的潜在不良影响。由于不同国家的公众和政策制定者对基因编辑的看法不同，因此目前的情形比较复杂，也难以建立统一的监管体系。好消息是，科学家都了解到这些问题的严重性，并且正在与监管机构合作，确保减轻其负面影响。
除了其实际的应用价值，CRISPR-Cas9还是一个强大的科研工具。举几个简单的例子，例如为了研究基因的功能，科学家可以用CRISPR-Cas9让基因突变、甚至使基因沉默，从而观察这一基因对生物体的影响。或者，可以对用于实验的动物模型的DNA进行突变修改，从而让因太过于危险或涉及伦理问题而无法在人体上进行的研究得以实现。
在不到6年的时间里，Doudna，Charpentier和Šikšnys的研究已经让CRISPR-Cas9发展成为遗传学领域最强大的工具之一。正如挪威科技大学教授兼卡弗里纳米科学委员会主席Arne Brataas所说的那样：“CRISPR-Cas9是一个突破性的纳米工具，它将大大加强我们对遗传机制的理解。这一伟大的发明能赋予社会巨大的积极创新的能力”。
参考来源：
http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2018-kavli-prize-nanoscience
发表于 2018-6-2 17:44
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