开云官方入口 开云网址在这篇文章中，我们将目光聚焦于获得去年诺贝尔化学奖的CRISPR技术，介绍其工作原理及其应用。

　　基因携带者生物体的遗传信息，是储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的一套精确的密码，决定了生物体的性状。

　　基因编辑则可以人为改变这些密码，调控生物体的各种性状，诸如性别、毛色、肤色等等（当然性状也受环境的影响）。

　　然而基因编辑并非易事。原因之一便是基因众多，组成简单生命最少要265到350个基因。这些基因上没有标签，你无从知道哪段基因对应了什么性状。而且基因存在于微小的DNA中，尺度在纳米级别。

　　微小而繁复，使得基因编辑就像是在一团乱麻中找到想编辑的一段进行微型手术，难度不言而喻。

　　而CRISPR这种基因编辑技术无视基因带来的挑战。它的强大之处在于能够实现精确的基因编辑，达到指哪打哪的程度。

　　CRISPR技术通过在特定位置添加、删除或改变DNA实现基因编辑。在过去的十年里，围绕着CRISPR技术的研究数量发生了爆炸式增长。

　　这些研究带来了诸多富有创新性的应用，比如使用CRISPR技术对DNA纳米结构进行工程化设计或是通过基因编辑来治疗遗传疾病（例如镰状细胞病）。这些突破性研究极大地革新了传统基因编辑技术。

　　为抵御外来病毒感染，细菌会切割并破坏入侵病毒的DNA。当细菌从一次病毒感染中幸存下来后，它们会保留一部分病毒DNA，用于记录这些“罪魁祸首”的“作案历史”。这些从入侵病毒DNA中保留下来的“ 纪念品”则存储在CRISPR中的spacers中。当下一次相同病毒再次侵入时，细菌便可以快速识别出入侵病毒并破坏病毒DNA。

　　CRISPR基因编辑系统主要有两部分：1）Cas9蛋白，充当「剪刀」；2）可定制设计的RNA向导序列（guide），别特异性的DNA序列，作为「向导」。

　　要对基因进行编辑，就得用「剪刀」先把不要的部分去除。而剪切的位置，则需要「向导」来指引。

　　RNA向导序列是与特定的剪切靶标基因互补的单链核苷酸。举个例子，产生镰刀状细胞的突变基因序列就可以作为向导RNA的靶标序列。Cas9蛋白通过向导RNA“读取”宿主的DNA，从而找到目标基因。当向导RNA与目标序列配对后，通常就会触发Cas9蛋白自身的切割机制，从而剪切目标基因的核苷酸键。

　　在切割发生后，细胞自身的DNA修复机制会通过一种名为非同源末端连接（non-homologous end joining）的方法将被切割的核苷酸重新粘合在一起以完成剪切后修复。这种途径较为迅速，但通常会出错或出现不完善的修复，使得该序列不再能被细胞读取和翻译，从而导致其失活。这种现象被称为「基因敲除」（gene knockout）。

　　如果巧妙利用上述DNA修复途径，可以用来编辑或插入新的遗传密码。这个过程被称为「基因敲入」（gene knock in）。

　　在基因敲入的应用中，CRISPR/Cas9系统与需要插入的DNA模板一同导入，并插入基因组中的精确位置。这一过程则需要启动另一种DNA修复机制——同源序列定向修复（homology-directed repair）——来收尾。该机制更为精确，但通常来说比非同源末端连接更耗时。

　　尽管这些研究都具有相当的挑战性，但CRISPR领域在过去十年中有了迅猛的发展。许多创新的方法都被开发出来以提高使用CRISPR/Cas9敲入基因的效率。不同种类的CRISPR的系统也被植入了多样的功能元件，可以执行相对应的功能。

　　前文已经说到，RNA向导序列引导Cas9蛋白到需要切割的位置。但接下来如何保证Cas9蛋白切割位置的准确性呢？

　　找到确定的切割位置固然重要，但如果最后临门一切失之毫厘，那可就谬以千里了！

　　另外，如果生物体基因组里有多段基因都满足向导定位要求，Cas9蛋白还能自动甄别哪些才是应该被切割的基因。

　　在细菌中，Cas9蛋白的功能依赖于一种被称为“ PAMs”（protospacer adjacent motifs）的短DNA序列。该序列紧挨被切割的靶标DNA区域。当CRISPR系统定位到PAM序列时，便会与之结合，并在PAM序列上游三到四个核苷酸的位置进行精确切割。

　　在这样的机制下，CRISPR系统只会对包括PAM序列的位置进行切割，从而防止了Cas9在基因组中所有包含匹配DNA的位置（包括CRISPR本身）随意剪切。

　　人体的DNA中存在不同的PAM序列，而不同的CRISPR系统也经过各种工程化改造具有了结合不同PAM序列的能力，从而拓宽了CRISPR的使用场景。

　　2019年，CRISPR第一次在成人体内被用来治疗镰刀型贫血症以及β-地中海贫血。科学家们通过移除病人体内造血干细胞并在体外进行基因编辑修正了致病基因突变。使用这项技术治疗某些肿瘤和先天性失明也进入了临床试验阶段。

　　CRISPR技术在医学领域之外还有着许多的应用，包括防止携带疟疾的蚊子等入侵种群、研发性价比高的新冠病毒检测试剂盒、开发“CAMERA”DNA“录音机”以及制备更高效的生物燃料等等。许多人还预测这项技术有着改变食品行业的潜力，能在改善食品风味、增强作物抗病能力甚至是解决食物过敏源等问题上大有作为。

　　然而，如同其他技术一样，CRISPR修改基因的能力带来了违背道德应用的可能性及风险。

　　许多研究者和生物伦理学家都担心CRISPR技术将会打开潘多拉的魔盒。这项技术的发展还远没有到达完美无瑕的地步。特别是当CRISPR技术被应用到编辑人类基因时可能会造成难以预料的灾难。

　　人类基因组是一套精巧且复杂的系统。同一基因可能与多种功能有关，并且某些功能我们可能至今未知。因此，对一个基因进行编辑就可能带来出乎意料的遗传改变，而这样的改变甚至可能改造后代和整个人类。

　　CRISPR技术可能被用于除治疗疾病以外的其他用途。例如被用于提升人体的某些能力和性状，诸如外表和智力等等。

　　这样“逆天”的能力如果被有权势的人或者富人阶级所垄断，那么可能当我们都还是受精卵的那一刻，高低贵贱的差距就已经锁定了。

　　CRISPR技术的滥用甚至会产生具有优良基因组的新种族，届时种族矛盾会如何衍变？不敢想……别说未来，就是当下，种族问题都是造成某些国家、地区动荡的主要因素。

　　因此，科学家们呼吁在CRISPR技术进入临床前先暂缓应用于人类生殖细胞，以便给科学家和生物伦理学家更多的时间来评估和分析这项技术的潜在风险。我们目前不清楚讨论会在何时结束，也不确定最终的结果会是怎样。

　　尽管CRISPR相关的技术仍然需要进一步完善，一些伦理问题也仍需解决，科学家们会通过不懈努力将这项技术发展得更为精准及高效。潜力无限的CRISPR技术今后如何发展？我们拭目以待。