[科普中国]-一波未平一波又起，CRISPR基因编辑将何去何从？

作者：莫轩

编辑：Yuki

这两天，“基因编辑婴儿”在中国诞生的爆炸性新闻，在全球范围内掀起了巨大争议。这个事件也让以CRISPR为代表的基因编辑技术，又一次被推上风口浪尖。

其实，就在不久前，CRISPR技术的专利归属问题才刚刚尘埃落定——美国联邦法院判定麻省理工学院和哈佛大学获得CRISPR专利，结束了关于这场长达5年的争论。

作为目前最有效的基因编辑技术，CRISPR技术到底经历了哪些发展与争议，它所代表的基因编辑技术又将走向何方呢？

（图片来源：图虫创意）

CRISPR的诞生

事情要从1987年说起。这一年，日本科学家第一次在大肠杆菌的基因组中发现了重复性回文序列，然而，当时并未引起诸位学者的注意。

两年以后，西班牙阿利坎特大学的博士研究生Francisco Mojica在做自己的博士课题时，在一种名为 H.volcanii 的古细菌中也发现了重复性回文序列。他查了文献，发现两年前的日本科学家也发现了类似的回文结构，通过比较发现，两者并未有任何同源序列。

虽然不知道这些回文结构有什么功能，但他觉得非常有意思，并将其命名为Clustered regularly interspaced short palindromic repeats [1] ，简称CRISPR，翻译过来大致是“ 簇状规律型间隔回文序列 ”。1992年，他发表了一篇文章，描述了这个回文结构，并顺拿到博士学位，到牛津大学做了两年的博士后。博士后出站以后，他回聘到阿利坎特大学，重拾了他博士时期发现的CRISPR的研究工作。

钻研了十余年，到2003年，他终于弄明白这个回文结构的生物学功能—— 古细菌的适应性免疫 [3]。 为此，他和他的课题团队成员开了一个盛大的party庆祝，并且觉得这个工作一定能发表在《科学》、《自然》等世界顶级期刊上。派对结束后的第二天，Mojica就开始撰写论文，投稿到这些顶级杂志。

这些期刊的编辑们虽然对这一工作表示了足够的兴趣，但是指出Mojica的工作并没有阐释机理，而只是在做假设，就拒稿了。在长达两年的反复拒稿以后，文章最终发表在了《分子进化》（Molecular Evolution）上。

与此同时，法国学者Bolotin在研究酿脓链球菌 Streptococcus thermophilus 时发现了与Mojica研究组相似的CRISPR序列，以及一个新的基因，用来编码一个具有核酸酶功能的蛋白，也就是后来的Cas9，并预测CRISPR的功能大约是与适应性免疫相关 [4] 。

这篇文章提交的时间大约比Mojica文章被接受的时间早两个月。

在接下来的四五年间，世界各地的科学家们似乎忽然有了指路明灯一般，很快搞清楚了CRISPR序列的功能，以及细菌适应性免疫的工作机制—— Cas蛋白具有核酸酶的功能，能够剪切DNA，而CRISPR能够转录成RNA引导Cas蛋白对基因组中特定的DNA序列进行剪切 。

（酿脓链球菌（ Streptococcus thermophilus ）中的CRISPR-Cas9系统。图源：参考文献[2]）

到了2012年，Jennifer Doudna发文将CRISPR系统用于大肠杆菌基因组的编辑。2013年，Feng Zhang（张锋）发文报道了CRISPR技术用于动物细胞基因组的编辑工作。

正是这两个研究组，在接下来几年，为了谁最先发明CRISPR技术，展开了激烈的争论。虽然，从论文发表时间上说，确实是Doudna领先一步，但是，张锋2014年就已经申请到了CRISPR技术的发明专利。

（张锋申请的CRISPR技术专利。图源：patents.justia.com）

科学之争or利益之争？

虽然外行人会抱有“看热闹，不嫌事儿大”的心态，但是对科学家们来说，谁做了什么工作，做了多少工作，都心里有数。

那么争议来自哪里呢？是科学家自身吗？

我们先来看一些事件——

就在专利之争尘埃落定的前一年，UCB的学生社团邀请张锋去UCB做一个关于CRISPR技术的报告。而在此之前，一位UCB的学生就已经在推特和脸书上发文，号召大家通过点赞的方式支持Jennifer Doudna，反对张锋。

一周后，学院的一位资深教授特地找她谈话：你不要这样搞事情，张锋并不是坏人，他也没有做任何坏事。

不止是这位教授，在许多科学家们眼中，张锋是一位非常腼腆的人，他并不想参与纠纷，只是想把科研做好。这次他之所以接受UCB的邀请，也是因为他看来这只是一个正常的科学交流。对“CRISPR技术专利之争”这一问题并没有发表过多评论，只是介绍了一些他最初的工作。

其实，早在2014年，张锋获得CRISPR技术专利许可以后，就将这项技术以及实验室所有的相关实验材料信息公之于众，免费供全世界学者和机构科研之用。

2017年底，张锋当选为美国科学院院士，也可以反映出科学界对张锋的贡献是非常认可的。

所以，从这些层面上来说， CRISPR技术专利之争，并不是科学之争 。争论的主角也并非这三个研究机构，而是与这三个机构所有关的诸多大型生化公司。

因为技术的应用，离不开产业化，MIT和UCB为代表的研究机构只负责科学研究，成果转化必须依靠对应的大公司。所以， 所谓的专利之争，其实是各个公司的产品和市场之争。

（以MIT，UCB为代表的三家机构，以及专利许可授权以后，各大公司成果转化专利。图源：Nature）

CRISPR技术——一把“未打磨好的利刃”？

美国联邦法院的判决，算是暂时平息了这场纷争。可是人们不禁要问了，CRISPR技术到底有哪些用处？为何导致三家机构不惜耗巨资打官司呢？

原因说起来也很简单——这项技术是目前为止 最为有效的基因编辑技术 。已经普遍应用到医疗、农业等诸多方面。

虽说它是目前最行之有效的技术，但并不能代表着百分之百的可靠。

作为一把基因编辑的利刃，CRISPR目前存在一个重要的缺陷—— 脱靶 。简单的说就是，这把刀虽然很锋利，但是，经常砍错地方。

一项关于人类胚胎细胞的修饰研究工作中，CRISPR技术的成功率仅为14.3%——这么低的精度在医学上是不可能被接受的。从这点上说，现行的CRISPR技术仅仅是一把未打磨好的利刃。

CRISPR技术将走向何方

基因编辑技术无疑将成为未来一项非常重要的技术。目前为止， CRISPR技术主要应用在农业和医学方面，并取得一些成果 。比如农业方面，这项技术主要用来改造植物基因组，用以制造耐旱或者抗病的株系。如今已经成功应用到大豆，玉米，烟草，番茄，小麦等农作物上，很多成果转化也会在未来逐一呈现 [5] 。

临床上，这项技术被用于一些遗传疾病的筛选、预防和治疗。一些治疗方案在动物疾病模型中已经取得很好的效果。此外，还能改造人体免疫细胞——T细胞，让它们能够特异的靶向癌细胞，达到癌症治疗的目的。

CRISPR的研究还不止于此，一项最新的研究利用CRISPR技术创造出可编程的核酸成像技术，能够跳过了转录、翻译两个步骤，直接观察到蛋白的表达。另外一项研究中，研究人员将绿色荧光蛋白融合在dCas核酸酶上，并在末尾加了一段特殊优化的RNA序列，实时观察到端粒上的动态结构以及细胞内的基因编码过程 [6,7] 。

（CRISPR-Cas核酸成像技术：正进行有丝分裂的海拉细胞中的一个基因的亚细胞定位。）

此外，目前研究最多的是Cas9。而Cas蛋白家族还有一大家子成员，如Cas12a, Cas13, Cas10等 [8,9] 。很多成员的功能很奇特，比如Cas13具有RNA酶的功能可以对RNA进行识别和编辑。现在人们已经可以利用Cas13发展RNA成像技术以及快速检测萨卡病毒的单链RNA。这无疑对于疾病的预防极为重要。

（Cas蛋白家族。图源：参考文献[1]）

总之，虽然CRISPR-Cas技术目前仍存在许多问题，但并不能掩盖其巨大的应用价值。这项技术已经为人类的社会科技的发展打开了一扇窗，“宝剑锋自磨砺出”，我们期待CRISPR这把利刃，能在众多科研人员的努力下，被不断打磨和完善，使之为人类创造更多的价值。

不过至少在现阶段，它还不能成为解锁人类基因技能的“万能钥匙”，一切操作仍需谨慎——虽然技术本无正邪之分，但使用技术的人，将决定它最终的走向。

作者名片

参考文献：

1. Knott, G. J. & Doudna, J. A. CRISPR-Cas guides the future of genetic engineering. Science 361, 866 (2018).

2. Lander, Eric S. The Heroes of CRISPR. Cell 164, 18-28, doi:https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.12.041 (2016).

3 . Shan, Q. et al. Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system. Nature Biotechnology 31, 686, doi:10.1038/nbt.2650

https://www.nature.com/articles/nbt.2650#supplementary-information (2013).

4 .Chen, B. et al. Dynamic Imaging of Genomic Loci in Living Human Cells by an Optimized CRISPR/Cas System. Cell 155, 1479-1491, doi:10.1016/j.cell.2013.12.001 (2013).

5.Knight, S. C., Tjian, R. & Doudna, J. A. Genomes in Focus: Development and Applications of CRISPR-Cas9 Imaging Technologies. Angewandte Chemie International Edition 57, 4329-4337, doi:doi:10.1002/anie.201709201 (2018).

6.Gootenberg, J. S. et al. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6. Science 360, 439 (2018).

9.Myhrvold, C. et al. Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13. Science 360, 444 (2018).