生命是一個又一個的程序。有些程序很小，功能也很簡單，大腸桿菌像是微信小游戲；有些程序很大，擁有精美的畫面和復(fù)雜的功能，智人就像是生命中的3A大作。生命的性狀是由一套叫做基因的程序定義的，這些程序決定了一個生命是什么樣子，人沒有尾巴而猴子有，是因為猴子基因里編碼尾巴得到了運行。我們之所以是現(xiàn)在這個樣子，是因為我們的基因里有這樣的程序，而且這些程序被正確的運行。

和程序一樣，基因也會存在一些錯誤指令（bug），但和電腦程序不同的是，基因無法識別一個指令是正確的還是錯誤的，更不會報錯，而是一股腦的執(zhí)行下去，直至崩潰。錯誤的程序在身體中不斷的執(zhí)行，就會引發(fā)更大的危機——疾病。

如果先天遺傳拷貝下來的程序中含有錯誤的指令，那么機體也會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。例如錯誤編碼了的視錐細(xì)胞會無法正確的識別顏色而導(dǎo)致色盲，從而影響正常的生活。而即使先天的程序正確，在我們生活的過程中也會遇到很多的危險，比如強紫外線照射與病毒感染，這些情況會對細(xì)胞中的基因產(chǎn)生影響而導(dǎo)致疾病的發(fā)生，例如HPV（人體乳頭瘤病毒）感染后誘發(fā)細(xì)胞癌變。

有的基因疾病并不會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，可以通過后天進行矯正，比如唇裂就可以通過手術(shù)的方式改善。然而很多基因疾病并不是簡單的改變我們的外觀，而會深入的影響到我們身體內(nèi)在的運行。所以，我們需要找到一個方法，去更正基因程序中的錯誤（debug），刪除掉錯誤的指令或者補全缺失的組件，讓生命回歸到平常的狀態(tài)。

現(xiàn)在，我們可以通過RNA（核糖核酸）干擾等方式在不改變基因的條件下改變生命程序的執(zhí)行，但是科學(xué)家并不滿足這種更加臨時的方法，而希望找到能一勞永逸治療手段——通過編輯基因本身，來改變個體甚至下一代的特征。

1962年， Waclaw Szybalski的實驗發(fā)現(xiàn)鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺陷的細(xì)胞（HGPRT-），可以通過導(dǎo)入編碼鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺陷的外源基因，讓細(xì)胞獲得轉(zhuǎn)移鳥嘌呤磷酸核糖的能力。這一發(fā)現(xiàn)意味著細(xì)胞內(nèi)由基因缺失帶來的缺陷能夠通過導(dǎo)入外源基因修復(fù)。

一些病毒能夠?qū)⒒驅(qū)胨拗黧w內(nèi)這一特性激發(fā)了第一例基因治療嘗試：Shope乳頭瘤病毒通過導(dǎo)入目的基因進入細(xì)胞，成功修復(fù)了細(xì)胞的尿素代謝缺陷。在上世紀(jì)90年代，一種以逆轉(zhuǎn)錄病毒為載體的基因治療方法被臨床用于治療腺苷脫氨酶缺失（ADA），一位因ADA患有嚴(yán)重自身免疫疾病的患者因此得以治愈。2020年，在Clinical trials注冊的正在進行的基因療法實驗多達(dá)896項，包括了先天基因缺陷疾病、心血管疾病、神經(jīng)退化疾病以及癌癥等疾病的治療，基因療法很快將從象牙塔走到尋常百姓家。

基因的“魔力剪刀”

僅僅是導(dǎo)入新基因并不能完全解決問題：有相當(dāng)一部分的基因疾病并不是由基因缺失，而是由于錯誤的基因存在引起的。因此，我們不能滿足于導(dǎo)入新的基因，而需要能夠?qū)ΜF(xiàn)有基因進行刪除或者直接編輯成我們需要的編碼。

在基因編輯技術(shù)的歷史中，微生物是我們的寶藏。相比于哺乳動物需要對付包括病毒、細(xì)菌、真菌、寄生蟲等不同種類的病原體，作為單細(xì)胞動物的細(xì)菌只需要對付一種敵人：病毒。病毒并不具備獨立生存的能力，它需要將自己的遺傳信息侵入宿主細(xì)胞內(nèi)，借助宿主細(xì)胞的材料和工具復(fù)制自己，最終離開宿主。由于大多數(shù)的病毒的遺傳物質(zhì)都是核酸，細(xì)菌想到了一個巧妙的方式：如果有辦法識別入侵的核酸而不損傷自己的核酸，那么就可以阻止病毒的復(fù)制，保護自己。

這樣的免疫機制同樣給基因編輯技術(shù)帶來可能：它能夠識別特定的核酸序列并在特定位點切割基因，就好像給編輯器增加了搜索插件，要找到我們的目標(biāo)就容易很多了。

早在上世紀(jì)80年代，科學(xué)家就在微生物中發(fā)現(xiàn)了限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶），通常它能夠識別4~8bp（堿基對）的核酸并在特定的位置進行切割。我們再輔以DNA連接酶這個膠水，我們就可以將我們需要編輯的基因剪開，并粘上我們所需要的基因。在這一套重要的工具被發(fā)現(xiàn)之后，人類也大膽的開始了基因編輯的歷程。

但是這套工具依然有著許多缺點。對于限制酶來說，它雖然能夠識別數(shù)個堿基對，但是這些堿基對并不夠精確，也不夠特別，而且存在嚴(yán)重的偏向性。這就像在一本書里去找一個名字叫“斯基”的人，在一本中國小說里幾乎不能找到這樣一個人，而在一本俄羅斯小說里卻可以找到上百個“斯基”，也不知道哪一個才是你真正需要找的。而DNA連接酶也并沒有很強的特異性，它像一個淘氣的小孩會把所有可以粘連的基因都粘在一起：所以有時候我們所需要的基因能夠正確的連接在一起，然而也有大量的基因是錯誤連接的。

因為這些缺點，限制酶-DNA連接酶這一技術(shù)更多的停留在了實驗室中，而并沒有應(yīng)用到臨床：人的基因可是非常復(fù)雜且精密的，不可以讓淘氣孩子胡鬧。

淘氣的孩子并不意味著不能長大，如果我們稍加教育，就能讓限制酶變得更加聰明。TALEN（轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶）與ZFN（鋅指核酸酶）就是長大了一些的孩子，他們在限制酶特異性識別的基礎(chǔ)上，增加了序列引導(dǎo)，能夠識別14~40bp的序列。這樣，原本只會尋找“斯基”的限制酶能夠被引導(dǎo)著去尋找“彼得·伊里奇·柴可夫斯基”，這樣就能很容易的找到一位俄國音樂巨匠，而不是迷失在茫茫人海之中了。

雖然TALEN 和ZFN能夠更加特異性的識別基因序列并進行編輯，但是它依舊依賴于限制酶的識別：當(dāng)我們使用識別“斯基”的內(nèi)切酶是無法找到“列夫·尼古拉耶維奇·托爾斯泰”，而必須合成能夠識別“斯泰”的限制酶并加以修飾。這意味著，每一次我們要尋找一個特異的序列，我們都需要找到對應(yīng)的內(nèi)切酶，如果并不存在能夠識別“雨果”的內(nèi)切酶，我們也就找不到“維克多·馬里·雨果”了。雖然我們現(xiàn)在能夠合成識別特定位置的內(nèi)切酶，但是過程過于繁瑣，耗時也更長。

從核酸內(nèi)切酶到CRISPR

與TALEN同一時期發(fā)現(xiàn)的CRISPR（短回文重復(fù)序列）系統(tǒng)則用另外的方式巧妙的回答了這一難題。

CRISPR其實是細(xì)菌的“黑名單”：當(dāng)有病毒（噬菌體）入侵細(xì)菌后，細(xì)菌的Cas（CRISPR相關(guān)）核酸酶系統(tǒng)能夠切割入侵的病毒，使得病毒失去活性。與此同時，Cas系統(tǒng)還能夠?qū)⒁欢尾《镜奶禺愋孕蛄薪厝〔⒋鏅n到自己的基因中。等到下一次病毒入侵之后，Cas能夠通過之前存檔在CRISPR區(qū)域的識別序列轉(zhuǎn)錄成crRNA（CRISPR RNA）識別入侵的病毒，更快的對病毒核酸進行降解，抵御病毒的入侵。

由于CRISPR/Cas系統(tǒng)中的核酸酶的PAM（原間隔物模塊，通常只有3個bp）識別更加廣泛，而用于引導(dǎo)Cas酶的sgRNA（單向?qū)NA，由crRNA生成）能夠很便捷的合成，我們能夠?qū)⑦@一套“識別-剪切”系統(tǒng)組合，就能夠更加精確且廣泛的對基因進行剪切。

光是有剪切可不行，我們需要的編輯還需要粘貼才能夠完成，而我們自身體內(nèi)的基因修復(fù)機制就可以完成這個工作，不需要額外外源的蛋白參與。

我們的基因修復(fù)系統(tǒng)像是一個抄作業(yè)的小學(xué)生。當(dāng)有基因損傷時，就像作業(yè)被撕掉了一頁，基因修復(fù)機制就會嘗試找到一本一模一樣的作業(yè)，把另一本完好的作業(yè)抄到損傷的頁碼中，完成對基因的修復(fù)，這個過程叫做同源定向修復(fù)（HMR）；而如果沒能找到一份同樣的作業(yè)時，他會自由發(fā)揮，在損傷的位點胡亂的添加核酸，從而導(dǎo)致基因移碼，這樣作業(yè)就沒有辦法被老師看懂了，這個過程叫做非同源末端連接（NHEJ）。

聰明的你應(yīng)該猜到了：如果我們將特定位點的作業(yè)撕掉，并給基因修復(fù)系統(tǒng)一本我們想要的“正確作業(yè)”，那么基因修復(fù)系統(tǒng)就會按照我們提供的要求將基因?qū)懺谖覀冃枰奈恢?，從而完成基因編輯。因此，在設(shè)計CRISPR/Cas系統(tǒng)的時候，除了考慮識別序列和Cas9工作基因的同時也可以添加具有指導(dǎo)作用的同源基因，欺騙HDR用我們提供的基因取代原有的基因。我們也能在不打開基因的條件下，通過CRISPR/Cas系統(tǒng)對基因的單一位點進行編輯：遞送一個更正答案的貼紙而不是剪刀，粘在作業(yè)上，通過化學(xué)反應(yīng)直接改變核苷酸，這樣能夠更加簡便精確的對單一位點突變進行修正，同時避免了打亂基因組的問題。

到這里，我們就有了有效的基因編輯手段，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了識別暑假作業(yè)頁碼的引導(dǎo)序列，撕掉作業(yè)的Cas酶以及以假亂真的參考作業(yè)同源序列。這一方法更加精準(zhǔn)的識別了我們所需要的核酸位點，避免由于過于廣譜的靶點導(dǎo)致重要的基因被錯誤編輯，而簡便的原理和低廉的成本也讓這一技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化成為了可能。

在核酸是生命信息的載體這一觀點被提出的這半個多世紀(jì)里，科學(xué)家一直致力于通過解碼和編輯基因來對抗由于基因帶來的缺陷?，F(xiàn)在，我們掌握了CRISPR-cas9這一技術(shù)，它將作為一顆顆承載希望的子彈，對基因造成的疾病宣戰(zhàn)。

CRISPR等基因編輯工具的成熟、DNA測序和合成的成本快速降低，讓基因編輯的技術(shù)門檻大幅下降?；蚓庉嫾夹g(shù)推動了合成生物學(xué)的跳躍式發(fā)展，國內(nèi)如藍(lán)晶微生物等合成生物學(xué)公司，通過將生物技術(shù)與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，試圖解決新分子和新材料問題，長期來看將助力碳中和及環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

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