Nature：CRISPR，基因编辑只是头盘菜

　　

3月7日，Nature网站发表了一篇题为“CRISPR: gene editing is just the beginning”的文章，在这一长篇新闻特稿中Nature指出基因编辑只是CRISPR技术应用的一个起点，这一生物工具的真正能力在于探索基因组的运作机制。并为我们介绍了近年发布在Nature、Science、Cell三大顶级期刊及子刊上那些重大的CRISPR技术成果及应用。

打碎的剪刀

CRISPR–Cas9系统中有两个主要的组成部分：像一对分子剪刀那样剪断DNA的Cas9酶，以及将剪刀引导到特异的DNA序列处完成切割的一个小RNA分子。细胞天然的DNA修复机器通常会修补切口——但往往会犯错误。

对于那些想要破坏某个基因了解其功能的科学家们来说这是一个很有用的东西。遗传密码是冷酷无情的：在修复过程中导入微小的错误也可以完全改变编码的蛋白质，或终止生成蛋白质。因此，科学家可以研究当蛋白质或基因缺陷时细胞或生物体会发生什么。

但还有一条不同的修复信号通路有时会根据DNA模板来修补切口。如果研究人员提供这种模板，他们可以在几乎所有选择的位点上用几乎所有期望的序列来编辑基因组。在2012年，一些实验室在竞相证实这些基因编辑工具如何能够很好地切割人类DNA之时，一个研究小组决定采取一种不同的方法。加州大学旧金山分校的系统生物学家Jonathan Weissman说：“我们所做的第一件事就是打碎了这些剪刀。”

Weissman是从斯坦福大学合成生物学家齐磊（Stanley Qi）那里了解到了这种方法，齐磊突变了Cas9酶，使得它仍然能够结合匹配向导RNA的DNA序列，但不再能够切割DNA。Cas9酶停滞在那里，阻碍了其他的蛋白将这段DNA转录为RNA。这一系统使得研究人员能够关闭基因，而不会改变DNA序列（Cell重要成果：基因表达沉默新技术 ，Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Control of Gene Expression.Cell.Volume 152, Issue 5, p1173–1183, 28 February 2013）。

该研究小组随后取得了“无生命”的Cas9，尝试了新东西：研究人员让它连接另一种可激活基因表达的蛋白组成元件。进行一些调整后，他们构建出了一种方法可以任意地开启和关闭基因（两篇Cell文章：发布CRISPR研究重大突破 ,Genome-Scale CRISPR-Mediated Control of Gene Repression and Activation. Cell. Volume 159, Issue 3, p647–661, 23 October 2014）。

自那以后几家实验室发布了这种方法的种种变体；越来越多的实验室在竞相利用它来开展研究。一种广泛的应用就是快速生成成百上千不同的细胞系，每个包含一条不同的向导RNA靶向特异的基因。加州大学旧金山分校系统生物学家Martin Kampmann希望能够筛查这样的细胞，了解开启或关闭某些基因是否会影响暴露于有毒蛋白质聚集体下神经元的生存。人们认为蛋白质聚集体是包括阿尔茨海默氏症在内的几种神经退行性疾病的潜在机制。Kampmann曾尝试用RNA干扰(RNAi)技术完成相似的筛查。RNAi也可以沉默基因，同时加工许多分子，但它有自身的缺点。“RNAi是一种散弹枪，众所周知会造成一些脱靶效应。CRISPR手术刀能够更加地特异。”

Weissman和同事们，包括加州大学旧金山分校系统生物学家Wendell Lim，进一步优化这种方法使之依赖于一条较长的向导RNA——其具有一些模体可以结合不同的蛋白。这使得他们在一次实验中能够激活或抑制三个不同位点的基因（华人学者Cell发表CRISPR重要成果 ,Engineering Complex Synthetic Transcriptional Programs with CRISPR RNA Scaffolds.Cell.Volume 160, Issues 1-2, p339–350, 15 January 2015）。Lim认为这一系统可同时进行5种操作。限制因素就是能够将多少向导RNAs和蛋白质塞入到细胞中。

这种组合能力吸引了麻省理工学院(MIT)合成生物学家Ron Weiss进入到CRISPR–Cas9狂潮中。Weiss和同事们也在单次实验中完成了多重基因调整，使得构建复杂的生物回路，例如将细胞的代谢机器转变为生物燃料工厂变得更快更容易（CRISPR transcriptional repression devices and layered circuits in mammalian cells.Nature Methods 11, 723–726 (2014) doi:10.1038/nmeth.2969）。“合成生物学最重要的目标就是能够通过构建这些复杂的回路来编程复杂行为，”Weiss说。

下接：Nature：CRISPR技术的应用舞台

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

CRISPR: gene editing is just the beginning

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