姓名：王小涵
學(xué)號：16020199013
轉(zhuǎn)載自:https://www.guokr.com/article/445782/
【嵌牛導(dǎo)讀】：CPISPR
【嵌牛鼻子】：基因編輯
【嵌牛提問】：CRISPR基因編輯將何去何從？
【嵌牛正文】：
這兩天，“基因編輯嬰兒”在中國誕生的爆炸性新聞，在全球范圍內(nèi)掀起了巨大爭議。這個事件也讓以CRISPR為代表的基因編輯技術(shù)，又一次被推上風(fēng)口浪尖。
其實，就在不久前，CRISPR技術(shù)的專利歸屬問題才剛剛塵埃落定——美國聯(lián)邦法院判定麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)獲得CRISPR專利，結(jié)束了關(guān)于這場長達5年的爭論。
作為目前最有效的基因編輯技術(shù)，CRISPR技術(shù)到底經(jīng)歷了哪些發(fā)展與爭議，它所代表的基因編輯技術(shù)又將走向何方呢？
圖片來源：圖蟲創(chuàng)意
CRISPR的誕生
事情要從1987年說起。這一年，日本科學(xué)家第一次在大腸桿菌的基因組中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)性回文序列，然而，當(dāng)時并未引起諸位學(xué)者的注意。
兩年以后，西班牙阿利坎特大學(xué)的博士研究生Francisco Mojica在做自己的博士課題時，在一種名為H.volcanii?的古細菌中也發(fā)現(xiàn)了重復(fù)性回文序列。他查了文獻，發(fā)現(xiàn)兩年前的日本科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了類似的回文結(jié)構(gòu)，通過比較發(fā)現(xiàn)，兩者并未有任何同源序列。
雖然不知道這些回文結(jié)構(gòu)有什么功能，但他覺得非常有意思，并將其命名為Clustered regularly interspaced short palindromic repeats[1]，簡稱CRISPR，翻譯過來大致是“簇狀規(guī)律型間隔回文序列”。1992年，他發(fā)表了一篇文章，描述了這個回文結(jié)構(gòu)，并順拿到博士學(xué)位，到牛津大學(xué)做了兩年的博士后。博士后出站以后，他回聘到阿利坎特大學(xué)，重拾了他博士時期發(fā)現(xiàn)的CRISPR的研究工作。
鉆研了十余年，到2003年，他終于弄明白這個回文結(jié)構(gòu)的生物學(xué)功能——古細菌的適應(yīng)性免疫[3]。為此，他和他的課題團隊成員開了一個盛大的party慶祝，并且覺得這個工作一定能發(fā)表在《科學(xué)》、《自然》等世界頂級期刊上。派對結(jié)束后的第二天，Mojica就開始撰寫論文，投稿到這些頂級雜志。
這些期刊的編輯們雖然對這一工作表示了足夠的興趣，但是指出Mojica的工作并沒有闡釋機理，而只是在做假設(shè)，就拒稿了。在長達兩年的反復(fù)拒稿以后，文章最終發(fā)表在了《分子進化》（Molecular Evolution）上。
與此同時，法國學(xué)者Bolotin在研究釀膿鏈球菌Streptococcus thermophilus時發(fā)現(xiàn)了與Mojica研究組相似的CRISPR序列，以及一個新的基因，用來編碼一個具有核酸酶功能的蛋白，也就是后來的Cas9，并預(yù)測CRISPR的功能大約是與適應(yīng)性免疫相關(guān)[4]。
這篇文章提交的時間大約比Mojica文章被接受的時間早兩個月。
在接下來的四五年間，世界各地的科學(xué)家們似乎忽然有了指路明燈一般，很快搞清楚了CRISPR序列的功能，以及細菌適應(yīng)性免疫的工作機制——Cas蛋白具有核酸酶的功能，能夠剪切DNA，而CRISPR能夠轉(zhuǎn)錄成RNA引導(dǎo)Cas蛋白對基因組中特定的DNA序列進行剪切。
釀膿鏈球菌（Streptococcus thermophilus）中的CRISPR-Cas9系統(tǒng)。圖源：參考文獻[2]
到了2012年，Jennifer Doudna發(fā)文將CRISPR系統(tǒng)用于大腸桿菌基因組的編輯。2013年，F(xiàn)eng Zhang（張鋒）發(fā)文報道了CRISPR技術(shù)用于動物細胞基因組的編輯工作。
正是這兩個研究組，在接下來幾年，為了誰最先發(fā)明CRISPR技術(shù)，展開了激烈的爭論。雖然，從論文發(fā)表時間上說，確實是Doudna領(lǐng)先一步，但是，張鋒2014年就已經(jīng)申請到了CRISPR技術(shù)的發(fā)明專利。
張鋒申請的CRISPR技術(shù)專利。圖源：patents.justia.com
科學(xué)之爭or利益之爭？
雖然外行人會抱有“看熱鬧，不嫌事兒大”的心態(tài)，但是對科學(xué)家們來說，誰做了什么工作，做了多少工作，都心里有數(shù)。
那么爭議來自哪里呢？是科學(xué)家自身嗎？
我們先來看一些事件——
就在專利之爭塵埃落定的前一年，UCB的學(xué)生社團邀請張鋒去UCB做一個關(guān)于CRISPR技術(shù)的報告。而在此之前，一位UCB的學(xué)生就已經(jīng)在推特和臉書上發(fā)文，號召大家通過點贊的方式支持Jennifer Doudna，反對張鋒。
一周后，學(xué)院的一位資深教授特地找她談話：你不要這樣搞事情，張鋒并不是壞人，他也沒有做任何壞事。
不止是這位教授，在許多科學(xué)家們眼中，張鋒是一位非常靦腆的人，他并不想?yún)⑴c糾紛，只是想把科研做好。這次他之所以接受UCB的邀請，也是因為他看來這只是一個正常的科學(xué)交流。對“CRISPR技術(shù)專利之爭”這一問題并沒有發(fā)表過多評論，只是介紹了一些他最初的工作。
其實，早在2014年，張鋒獲得CRISPR技術(shù)專利許可以后，就將這項技術(shù)以及實驗室所有的相關(guān)實驗材料信息公之于眾，免費供全世界學(xué)者和機構(gòu)科研之用。
2017年底，張鋒當(dāng)選為美國科學(xué)院院士，也可以反映出科學(xué)界對張鋒的貢獻是非常認(rèn)可的。
所以，從這些層面上來說，CRISPR技術(shù)專利之爭，并不是科學(xué)之爭。爭論的主角也并非這三個研究機構(gòu)，而是與這三個機構(gòu)所有關(guān)的諸多大型生化公司。
因為技術(shù)的應(yīng)用，離不開產(chǎn)業(yè)化，MIT和UCB為代表的研究機構(gòu)只負(fù)責(zé)科學(xué)研究，成果轉(zhuǎn)化必須依靠對應(yīng)的大公司。所以，所謂的專利之爭，其實是各個公司的產(chǎn)品和市場之爭。
以MIT，UCB為代表的三家機構(gòu)，以及專利許可授權(quán)以后，各大公司成果轉(zhuǎn)化專利。圖源：Nature
CRISPR技術(shù)——一把“未打磨好的利刃”？
美國聯(lián)邦法院的判決，算是暫時平息了這場紛爭?？墒侨藗儾唤獑柫耍珻RISPR技術(shù)到底有哪些用處？為何導(dǎo)致三家機構(gòu)不惜耗巨資打官司呢？
原因說起來也很簡單——這項技術(shù)是目前為止最為有效的基因編輯技術(shù)。已經(jīng)普遍應(yīng)用到醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等諸多方面。
雖說它是目前最行之有效的技術(shù)，但并不能代表著百分之百的可靠。
作為一把基因編輯的利刃，CRISPR目前存在一個重要的缺陷——脫靶。簡單的說就是，這把刀雖然很鋒利，但是，經(jīng)?？冲e地方。
一項關(guān)于人類胚胎細胞的修飾研究工作中，CRISPR技術(shù)的成功率僅為14.3%——這么低的精度在醫(yī)學(xué)上是不可能被接受的。從這點上說，現(xiàn)行的CRISPR技術(shù)僅僅是一把未打磨好的利刃。
CRISPR技術(shù)將走向何方
基因編輯技術(shù)無疑將成為未來一項非常重要的技術(shù)。目前為止，CRISPR技術(shù)主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)方面，并取得一些成果。比如農(nóng)業(yè)方面，這項技術(shù)主要用來改造植物基因組，用以制造耐旱或者抗病的株系。如今已經(jīng)成功應(yīng)用到大豆，玉米，煙草，番茄，小麥等農(nóng)作物上，很多成果轉(zhuǎn)化也會在未來逐一呈現(xiàn)[5]。
臨床上，這項技術(shù)被用于一些遺傳疾病的篩選、預(yù)防和治療。一些治療方案在動物疾病模型中已經(jīng)取得很好的效果。此外，還能改造人體免疫細胞——T細胞，讓它們能夠特異的靶向癌細胞，達到癌癥治療的目的。
CRISPR的研究還不止于此，一項最新的研究利用CRISPR技術(shù)創(chuàng)造出可編程的核酸成像技術(shù)，能夠跳過了轉(zhuǎn)錄、翻譯兩個步驟，直接觀察到蛋白的表達。另外一項研究中，研究人員將綠色熒光蛋白融合在dCas核酸酶上，并在末尾加了一段特殊優(yōu)化的RNA序列，實時觀察到端粒上的動態(tài)結(jié)構(gòu)以及細胞內(nèi)的基因編碼過程[6,7]。
CRISPR-Cas核酸成像技術(shù)：正進行有絲分裂的海拉細胞中的一個基因的亞細胞定位。
此外，目前研究最多的是Cas9。而Cas蛋白家族還有一大家子成員，如Cas12a, Cas13, Cas10等[8,9]。很多成員的功能很奇特，比如Cas13具有RNA酶的功能可以對RNA進行識別和編輯?，F(xiàn)在人們已經(jīng)可以利用Cas13發(fā)展RNA成像技術(shù)以及快速檢測薩卡病毒的單鏈RNA。這無疑對于疾病的預(yù)防極為重要。
Cas蛋白家族。圖源：參考文獻[1]
總之，雖然CRISPR-Cas技術(shù)目前仍存在許多問題，但并不能掩蓋其巨大的應(yīng)用價值。這項技術(shù)已經(jīng)為人類的社會科技的發(fā)展打開了一扇窗，“寶劍鋒自磨礪出”，我們期待CRISPR這把利刃，能在眾多科研人員的努力下，被不斷打磨和完善，使之為人類創(chuàng)造更多的價值。
不過至少在現(xiàn)階段，它還不能成為解鎖人類基因技能的“萬能鑰匙”，一切操作仍需謹(jǐn)慎——雖然技術(shù)本無正邪之分，但使用技術(shù)的人，將決定它最終的走向。
