CRISPR

原核生物基因组内的一段重复序列

CRISPR（/'krɪspər/，Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是原核生物基因组内的一段重复序列，是生命进化历史上，细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器，简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌，利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务，细菌为了将病毒的外来入侵基因清除，进化出CRISPR-Cas9系统，利用这个系统，细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的基因组上切除，这是细菌特有的免疫系统，是古菌和细菌抵抗病毒等外源遗传物质入侵的一种获得性免疫系统。

功能特点

CRISPR是生物科学领域的游戏规则改变者，这种突破性的技术通过一种名叫Cas9的特殊编程的酶发现、切除并取代DNA的特定部分。这种技术的影响极其深远，从改变老鼠皮毛的颜色到设计不传播疟疾的蚊子和抗虫害作物，再到修正镰状细胞性贫血等各类遗传疾病等等。该技术具有非常精准、廉价、易于使用，并且非常强大的特点。

CRISPR来自微生物的免疫系统，这种工程编辑系统利用一种酶，能把一段作为引导工具的小RNA切入DNA，就能在此处切断或做其他改变。以往研究表明，通过这些介入，CRISPR能使基因组更有效地产生变化或突变，效率比TALEN（转录激活因子类感受器核酸酶）等其他基因编辑技术更高。虽然CRISPR有许多优点，但是在人类癌细胞系列中，它也可能产生大量“误伤目标”，尤其是对不希望改变的基因做修改。

研究历史

世界

CRISPR技术是在20世纪90年代初发现的，并在7年后首次用于生物化学实验，迅速成为人类生物学、农业和微生物学等领域最流行的基因编辑工具。

自2012年以来，研究人员常用一种叫做CRISPR的强大“基因组编辑”技术对生物的DNA序列进行修剪、切断、替换或添加。美国约翰·霍普金斯大学医学院的科学家证明，这一系统还能精确有效地改变人类的干细胞。研究人员指出，这一发现简化了对诱导多能干细胞（iPSCs）的修改和定制，有望更快在治疗上取得成果，开发出用于疾病研究和药物测试的模型系统。相关论文在线发表于《分子治疗》上。

2015年1月6日，为了研究这种副作用在人类其他细胞中是否也存在，研究小组用CRISPR和TALEN两种系统在人类的iPSCs中进行实验，让它们在iPSCs中切下已知的基因片段，或切掉后再换上其他的。他们用JAK2、SERPINA1和AAVS1基因作为模型，JAK2基因变异会导致骨髓紊乱，真性红细胞增多症；SERPINA1基因变异会导致alpha1-抗胰蛋白酶缺乏，这是一种遗传性紊乱，会造成肺和肝脏疾病；而AAVS1最近发现是人类基因组中的“安全港”，可以插入外来基因。

通过比较发现，在这三个基因系统中，如果只是简单地切掉部分基因，CRISPR系统明显比TALEN更有效，产生的剪切是后者的100倍；而在做基因替代操作时，如替代JAK2和SERPINA1中的致病变异，CRISPR和TALEN的效率相当。

研究人员还指出，与人类癌细胞系研究不同的是，无论CRISPR还是TALEN，在人类iPSCs中同样都有着目标特异性，即只瞄准那些为它们设定的目标基因。他们还发现，CRISPR系统比TALEN更有优势：CRISPR可以设计成只瞄准病人体内含有变异的基因，而不影响健康基因，即只影响某个基因的一个副本。这些成果与以往的干细胞研究成果结合，使CRISPR成为一种有用的人类iPSCs基因剪辑工具，其偏离目标的风险更小。

约翰·霍普金斯大学医学院导师叶朝辉（音译）说，他们的研究详细说明了如何将CRISPR技术用于人类iPSCs，展现了该技术在这类细胞中的潜力。“干细胞技术正在迅速发展。我们认为，将iPSCs用于人类治疗的日子已经不远。”

2022年3月7日，美国食品及药物管理局（FDA）宣布，基因编辑牛肉产品风险低，不会引起任何安全问题。这为未来几年美国出售基因编辑牛肉扫清了道路。据FDA审查，牛的基因用一种被称为CRISPR的技术进行了改变，使其具有短而光滑的皮毛，让它们更容易抵御炎热的天气。没有高温压力的牛可能更容易增加体重，从而提高产肉量。

中国

中国一直处在CRISPR研究的最前沿。2014年，南京大学的研究人员宣布成功创造出定向突变的基因工程猴，这是有记录以来首次在非人类灵长目动物身上成功使用此项技术。

2016年8月，四川大学华西医院肿瘤学家卢铀率领的一个中国科学家团队将开展全球首例对人体使用革命性基因编辑技术CRISPR的试验。

该团队计划于2016年8月开始在肺癌患者身上测试经过CRISPR技术编辑的细胞。这些研究人员计划招募一批转移性非小细胞肺癌患者，对他们来说，化疗和放疗等其他选择都已失败。他们将从患者血液中提取免疫细胞，利用CRISPR加入一个帮助免疫系统定向清除肿瘤的新基因序列，然后再把这些细胞注入患者的血液。

美国已经批准一个由技术大亨肖恩·帕克支持的研究团队开展CRISPR人类测试。如果四川大学的研究2016年8月如期启动，那么它将超越美国成为世界首例CRISPR人类测试。需要指出的是，四川大学开展的试验不编辑基因种系，其影响不会被遗传。

2018年7月开始，另一项基因编辑实验将在中国进行，并将尝试使用CRISPR技术来破坏人类乳头瘤病毒（HPV）的基因，并有效地摧毁病毒，据悉，人类乳头瘤病毒已被证实可促使宫颈癌肿瘤生长。

以色列

2022年9月，以色列特拉维夫大学研究人员首次破译了一种使皮肤癌转移到大脑的机制，他们利用CRISPR技术对癌细胞进行了基因编辑，并切除了表达两种相关受体CCR2和CCR4的两个基因。

技术应用

1. CRISPR技术可以纠正导致疾病的基因错误

肥厚型心肌病（HCM）是一种心脏疾病，影响着全球0.2%的居民，该患者群体将承受巨大的痛苦，而且该疾病会致命。一些显性基因的突变导致心脏组织变粘稠，这可能导致胸痛、虚弱，严重的情况下会心脏骤停。由于近年来医学技术快速发展，肥厚型心肌病患者的平均预期寿命现已接近普通人群的寿命，但如果不及时进行治疗，会引发危及生命的情况。

但未来有一天，我们也许可以通过基因编辑来彻底治愈这种疾病。2017年夏季，美国俄勒冈健康与科学大学的科学家使用CRISPR技术删除可生育人类胚胎中一个缺陷基因，这项研究为科学家们带来了希望。他们在胚胎受精后18小时内注入结合CRISPR-Cas9技术机制的54个胚胎，其中36个胚胎并未显示任何基因突变（实际上没有形成这种疾病），13个胚胎部分没有出现基因突变（遗传肥厚型心肌病的概率为50%）。

在54个胚胎中仅有13个出现非目标基因突变和嵌合体（mosaics），这里的嵌合体是指一些细胞发生了相应的变化，意味着一小部分人会基因变异。

为了进一步减少这些变化，研究人员进行了另一项实验，他们在胚胎受精时直接对胚胎中相同的基因进行了校正。结果发现仅有一个嵌合体，这是一个令人印象深刻的实验结果。使得这项研究比其他同类研究更有效（2015年中国科学家进行的一项临床试验中，无法消除嵌合体的可能性）。

该研究报告第一作者、俄勒冈健康与科学大学的研究员舒克拉特·米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）说：“通过使用这项技术，我们有可能减轻这种遗传性疾病对家庭造成的负担，最终影响全人类。”在胚胎发育早期阶段发现这种基因，可以减少或者消除患者生命后期的治疗需求。

尽管一些干细胞科学家置疑是否这几十个基因突变真实有效，但这项研究帮助科学家更好地理解CRISPR技术的有效性。此外，肥厚型心肌病研究报告合著作者表示，我们有兴趣将这项技术应用于降低乳腺癌风险的特定基因突变（BRCA1和BRCA2）。

2. CRISPR技术可消除导致疾病的微生物

虽然艾滋病治疗是从感染致命杀手病毒转变为健康状态，但是科学家仍没有找到有效的解决办法。这种状况可能会随着CRISPR技术的发展而改变，2017年，中国一支研究小组通过复制一种变异基因，有效地阻止病毒进入细胞，从而增大了老鼠对艾滋病毒的抗性。科学家只在动物身体进行此类实验，但有理由认为同样的方法也适用于人类，这种基因突变可以增强人类对艾滋病毒的免疫力。

在一项略有不同的实验中，美国北卡罗来纳州的科学家使用CRISPR技术设计噬菌体，这是一种能在细菌内感染并复制自身的病毒，从而杀死有害细菌。自20世纪20年代以来，噬菌体已被用于临床实验，治疗细菌感染。但是通过自然途径采集它们是很困难的，因为当时缺乏对噬菌体的认知，并且无法预测结果，同时，抗生素市场的不断增长使得噬菌体的应用逐渐不受欢迎。

尽管人体试验尚未开始，但是研究人员对使用CRISPR技术设计噬菌体保持乐观态度，因为它们是一种经过验证的、安全的治疗细菌感染方法。事实上，在2017年的一项实验中，研究人员使用CRISPR技术设计噬菌体拯救感染耐抗生素传染病的老鼠生命。

3. CRISPR技术可以复活某些物种

2017年2月，哈佛大学遗传学家乔治·丘奇（George Church）在美国科学促进协会年会上发表了一项令人惊讶的声明，他表示自己带领的研究团队还有两年时间就能成功培育出大象-猛犸杂交体胚胎。

丘奇在接受《新科学家》杂志记者采访时说：“我希望恢复多毛猛犸能够阻止全球气候转暖，猛犸需要冻土带生活环境，土地上存在着厚厚积雪和冷空气。”

丘奇和他的团队希望利用CRISPR技术将亚洲象（一种潜在被拯救的濒危物种）和猛犸的基因物质结合在一起，猛犸的基因物质样本是通过西伯利亚冰冻毛团球中的DNA提取的。通过添加猛犸基因到亚洲象体内，最终该生物体将具有猛犸的普遍特征，例如：长毛，在寒冷气候下可起到保暖效果。最终目标是将这个杂交胚胎植入大象体内，并培育至分娩时期。

这项研究颇有希望，但是一些专家认为，丘奇的时间计划表过于乐观。即使研究人员能够培育功能完全的杂交体胚胎，像他预想的那样，在一个人造子宫中生长发育，仍是一个需要克服的障碍。当然，丘奇的实验室能够在人造子宫中培育出一个妊娠期一半的老鼠胚胎，大约发育10天左右。但并不能保证未来几年之内能够见证猛犸的诞生。

4. CRISPR技术可培育更健康的新型食物

CRISPR基因编辑技术被证实在农业研究领域具有发展前途，美国纽约冷泉港实验室科学家使用CRISPR工具能够增大番茄产量，该实验室开发一种方法能够编辑基因，确定番茄的大小，分枝结构以及最大产量时番茄的外形。

冷泉港实验室扎卡里·利普曼（Zachary Lippman）教授在一篇新闻稿中称，农作物的每个特征能够以电灯变光开关方式进行控制，目前我们可以使用原生DNA，增强其自然属性，这将帮助我们突破产量障碍。

满足饥饿人群的高产农作物仅是一个开始，科学家希望CRISPR技术能够帮助摆脱转基因生物（GMOs）的“污名”。2016年，杜邦先锋农业科技公司宣称，最新培育一种新品种CRISPR基因编辑玉米，因为研究人员改变了它的基因，因此从技术上讲，它并不是转基因农作物。

转基因生物和基因编辑作物之间的区别非常简单，传统的转基因生物是通过植入外来DNA序列进入玉米基因，传递其特征或者属性至未来的有机生物。基因编辑比这种技术更加精确：它对本地基因组的特殊位置基因进行精准改变，经常破坏某些基因或者改变它们的位置，这些都不会引入外来DNA。

虽然转基因生物在消费者之间存在争议，但是杜邦先锋等公司能够更好地认识基因编辑食物。转基因生物在美国市场已存在几十年时间，科学家未探测到任何风险，尽管转基因生物的最大支持者承认，科学家仍不清楚所有的长期风险。

CRISPR技术编辑的农作物也是如此，当然，科学家将继续测试和评估这些农作物，从而确保不会出现预料之外的副作用，但是这项早期研究仍具有较大的发展前景。最终，CRISPR技术编辑的农作物很可能快速占据全球市场。

杜邦先锋农业科技公司希望到2020年将其“蜡质”基因编辑玉米投入美国市场，据悉，一种基因编辑蘑菇已绕过美国农业部的规定，它并不包含来自病毒或者细菌的外来DNA，并成为首个亮绿灯的CRISPR技术编辑生物体。瑞典现已宣布，将对CRISPR技术编辑农作物进行分类和调控，其方法不同于转基因生物，但是欧盟委员会尚未选定其立场。

5. CRISPR技术将根除地球最危险的害虫

像CRISPR的基因编辑技术可以直接对抗传染性疾病，但是一些研究人员决定通过消除其传播方式来降低疾病的蔓延扩散。美国加州大学里弗赛德分校科学家培育出一种蚊子，它们对于CRISPR技术产生的变化非常敏感，这将便于科学家前所未有地控制传递至后代的生物遗传特征。研究结果显示，通过改变眼睛、翅膀和角质膜发育的基因，最终培育出身体黄色、三眼、无翅蚊子。

通过打乱蚊子基因多个位置的目标基因，研究小组正在测试“基因驱动系统”，来继承传递这些抑制性特征。基因驱动是一种本质上确保基因特征能够继承的方式，通过削弱蚊子的飞行能力和视力，加州大学里弗赛德分校科学家希望大幅降低蚊子在人类传播危险传染病的能力，例如：登革热和黄热病。

其他研究人员通过阻碍蚊子繁殖能力试图消灭它们，2016年，伦敦帝国理工学院一组研究人员使用CRISPR技术来研究携带疟疾的雌蚊的繁殖方式，通过基因驱动系统影响雌性不育特征，使该特征更有可能遗传给后代。

但是干扰蚊子的数量可能会带来无法预料的结果，消灭一个物种，即使是一个看似没有太多生态价值的物种，也会破坏生态系统的微妙平衡。这可能产生灾难性的后果，例如：破坏食物链或者增大疟疾等疾病在完全不同物种之间的传播扩散。

6.基因编辑T细胞治癌开始人体试验

2022年11月，研究人员使用CRISPR基因组编辑（一个源于细菌的系统），生成了患者特异性T细胞，安全性良好。

7.CRISPR基因编辑疗法获批

当地时间2023年11月16日，英国监管机构表示，已批准基于CRISPR基因编辑技术开发的Casgevy疗法投入应用，用于治疗两种血液病，这是全球首个获批应用的CRISPR基因编辑疗法。

社会影响

正面

CRISPR在生物医学研究领域引起一场巨变。不像其他基因编辑手段，它使用起来廉价、迅速且简单，并因此席卷全球实验室。研究人员希望利用它调整人类基因以消除疾病，创造生命力更加顽强的植物，并且消灭病原体。

长久以来，生物学家一直在利用分子工具编辑基因组。他们因一种有望精确且高效地编辑基因、被称为锌指核酸酶的酶而兴奋不已。不过，需要花费5000多美元才能订购到的锌指并未被普遍采用，因为它们很难进行基因改造且花费颇高。CRISPR却大不相同：它依靠一种利用引导性RNA分子将其导向目标DNA、被称为Cas9的酶，然后编辑DNA以扰乱基因或插入想要的序列。通常，研究人员需要订购的只是RNA片段，其他成分都是现成的。全部花费只有30美元。这使得该技术走向大众化，因此每个人都在使用它。这的确是一场巨大的革命。

CRISPR方法快速超越锌指核酸酶和其他编辑工具。对一些研究人员来说，这意味着要放弃曾花费数年来完善的技术。研究人员传统上严重依赖诸如小鼠、果蝇等模式生物。CRISPR使在更多生物体中编辑基因成为可能。

负面

编辑人类基因的想法往往引发争议。英国禁止进行人体基因编辑。英国纳菲尔德生物伦理学协会副秘书长彼得·米尔斯表达了对扮演上帝和“定制婴儿”的担忧。

一项对不能成活的人类胚胎开展的研究（在中国进行）因研究人员发现他们在临床环境下使用这种技术面临“严重障碍”而被叫停。

此外，在2015年3月，一个研究小组在《自然》杂志发表公开信，提出“严重担忧”编辑人类基因“种系”产生的道德和安全影响。

一些研究人员仍忧心忡忡，他们认为大量噬菌体侵入人体会引发免疫反应，或导致耐抗生素细菌对噬菌体产生抗药性，否则就会消灭它们。

在美国，当前食品和药物管理局（FDA）并未考虑利用公共资金来研究那些可以遗传的基因（俄勒冈州研究人员的研究工作并不是以移植为目的，该研究是由私人提供资金）。在加拿大，编辑基因遗传给后代，是一种犯罪行为，最高刑罚可判处10年监禁。在英国，2016年，人类受精与胚胎管理局授权伦敦一支科学家小组获得编辑人类胚胎基因的许可，英国科学家希望这将成为一个先例，并打开未来基因编辑应用的大门。

2022年10月8日消息，一名DMD患者接受CRISPR基因编辑治疗后死亡。

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