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应的标记物,将其“翻译”成相应的一小段RNA作为探针,和一个名叫Cas的DNA酶组成CRISPR-Cas系统,抵抗来犯之敌.这套CRISPR-Cas系统很像是一个“特勤二人组”,与CRISPR相对应的那一小段RNA好比是侦察兵,负责寻找目标,后面跟着的Cas酶好比是战斗队,专门负责杀敌,也就是把目标DNA一切为二.如果入侵的是DNA病毒的话,这就等于宣判了病毒的死刑.这套系统和免疫接种非常相似,所以又被称为“细菌的获得性免疫系统”.不过,这个发现虽然很有趣,但毕竟属于微生物领域,貌似和老百姓的日常生活没什么关系,所以在微生物圈之外很少有人知道.
这个状况在2012年发生了根本的改变.事情源于2011年在波多黎各首都圣胡安（SanJuan）召开的一次科学会议,就在这次会议上,来自瑞典于默奥大学（Ume?University）的曼纽尔卡朋特尔（EmmanuelleCharpentier）博士与来自美国加州大学伯克利分校（UCBerkeley）的詹妮弗多娜（JenniferDoudna）博士相识了,两人都是微生物免疫领域的后起之秀,又都是女性,所以聊得很投机,当即决定建立长期合作关系,共享资源.
科学界像这样的事情经常发生,本也不足为奇,但巧的是两家实验室各有一位波兰研究员,两人居然都来自同一个波兰小镇,说同样的方言,于是她俩经常借助Skype网络打长途,相互交流想法,共享数据.思想的相互碰撞很快擦出了火花,一个伟大的想法浮出了水面.
原来,不同细菌的CRISPR-Cas系统各有不同之处,科学家们将已知的CRISPR-Cas系统分为三类,Ⅰ类和Ⅲ类都使用一个庞大的蛋白质集团作为DNA酶,但Ⅱ类系统的DNA酶只有一个相对简单的蛋白质,称为Cas9,链球菌（Streptococcuspyogenes）所使用的就是这样一个Ⅱ类系统.两家实验室的科研人员经过讨论后发现,只要对链球菌的CRISPR-Cas9系统进行一些修改,简化其中的RNA标识物,就可以制造出一个DNA切割系统,其标识物由一段只有20个字母长的RNA来担当,这就大大简化了基因工程的操作程序,准确性也将得到提高.
前文说过,以前的基因工程操作缺乏应手的工具,尤其是DNA定位非常困难,基因工程师们要么瞎猫碰死耗子,广种薄收,要么用蛋白质来作为DNA分子的标识物,但是蛋白质和DNA毕竟是两种不同的分子,两者之间相互作用的机理非常复杂,科学家们必须针对每一个DNA序列单独设计一个与之对应的标识蛋白质,难度大,成本高,耗时长,涉及此类蛋白标记物的基因工程实验往往需要耗费几个月甚至一年的时间才能出结果,严重影响了研究进度.
CRISPR-Cas9工具就不一样了,它用的是RNA作为标记物,而RNA和DNA都是核糖核酸,属于同一类分子,它们之间
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如果用上文那个编辑来举例的话,CRISPR-Cas9就好比是计算机检索系统,依靠的不是编辑的目力,而是电脑的程序编码,无论是检索速度还是准确性都提高了好几个数量级.说起来新的检索系统并没有从理论上改变文学的本质,但实际上新系统一旦得到广泛应用,将把旧的文学形式彻底颠覆.卡朋特尔和多娜将研究结果写成论文,发表在2012年8月17日出版的《科学》（Science）杂志上.该论文详细描述了CRISPR-Cas9系统工具的设计原理和制备过程,向全世界宣告了一种全新的基因工程工具的诞生.该论文一经发表立刻在生物圈引发了地震,大家立刻放下手里的工作,着手研究这套新系统的潜力.截至2014年10月,来自全世界生物科学领域的科学家们在短短的两年时间里发表了超过1000篇关于CRISPR-Cas9的论文,从各个方面对这套新系统在生物学和医学等领域的应用前景进行了初步探索.2014年11月28日出版的《科学》杂志再次发表了卡朋特尔和多娜联手撰写的一篇综述文章,对这两年里进行的新探索进行了梳理,总结了CRISPR-Cas9系统可能的应用范围,前景令人鼓舞.基因工程的未来
因为其方便准确快捷廉价的特性,CRISPR-Cas9系统首先被应用到了遗传学研究领域,用于研究基因的功能.科学家们早就知道,要想知道某一基因到底是干吗用的,最好的办法就是把它去掉,或者让它失活,然后观察生物体发生了怎样的变化.这个“基因敲除法”（GeneKnockout）已经运用了很多年,取得了不少成果,但是因为老的基因敲除方法太过繁琐,准确性也不高,所以尚未完全普及开来.CRISPR-Cas9系统可以很方便地在任何物种的任何基因的任意位置切上一刀,这就相当于让这个（或多个）基因失去了活性.基因是生命的蓝图,如果全世界所有的生物学实验室都能够随心所欲地运用这项技术,生命科学领域一定会面临一次质的飞跃.
举例来说,“基因敲除法”经常被用于制造“基因敲除小鼠”（KnockoutMouse）,这种小鼠是研究哺乳动物基因功能的绝佳实验材料.但因为老技术难度太高,制造出一只这样的基因敲除小鼠往往需要耗费数月甚至数年的时间.CRISPR-Cas9系统可以很轻松地切除任意基因,理论上完全可以代替旧的“基因敲除法”.总部位于美国圣路易斯的萨格实验室（SAGELabs）是全世界第一个运用CRISPR-Cas9系统工具生产基因敲除小鼠的公司,这家公司只需一个多月的时间就可以按照客户的要求制造出一个特定基因被敲除的小鼠品系,大大提高了该领域的研究速度.
CRISPR-Cas9系统还可以用于医疗领域,方便科学家们制造出模拟人类疾病的细胞模型.比如,已知某些人类癌细胞的基因组发生了不止一处变化,甚至还有的癌变是由于染色体异位（ChromosomalTranslocation）所导致的,如此大规模的基因重组很难用现有的基因操纵工具模拟出来.CRISPR-Cas9系统的出现解决了这个难题,迄今为止已经有人利用这套系统制造出了模拟染色体异位所导致的肺癌、骨癌和白血病细胞系,为科学家尽早研制出针对这几类癌症的新药提供了取之不尽的实验材料.
医学领域的科学家们不但需要能模拟疾病的细胞系,更希望得到模拟疾病的动物模型.此前用得最多的动物模型是小鼠,不但因为小鼠繁殖快,容易饲养,更因为科学家们掌握的基因工具大都只适用于小鼠.CRISPR-Cas9系统是一种普适的工具,效率非常高,完全可以被用于制造灵长类实验动物.灵长类动物显然要比小鼠更适合作为模型动物,但是饲养成本也比小鼠高得多,对于遗传操作准确性的要求非常高.比如,美国埃默里大学（EmoryUniversity）的遗传学家安东尼陈（AnthonyChan）曾经花了两年时间培育出5只易患亨廷顿氏症的猴子,成为全世界第一个实现这一目标的人.但由于他采用的传统方法准确性太低,其中3只猴子的基因出了问题,提前得了这个病,不得不在出生一个月后就被杀死,无法用于研究.如果采用CRISPR-Cas9系统的话,就不会出现上述问题了,这将为医学研究提供廉价而又接近完美的实验材料,极大地加快新药的开发速度.
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