2020年4月17日早晨，“STAT”網站發布了一篇新聞報道，該報道指出科學家正在測試將CRISPR技術應用于新冠肺炎的快速檢測。
作為近幾年大熱的一個全新的基因編輯技術，CRISPR與中國也頗有淵源。擁有“CRISPR之父”之稱的著名科學家張鋒是出生于中國河北石家莊的華裔科學家，更是當今最受關注的華裔生物學家之一。這位青年才俊出生于1982年，1993年隨父母移民美國愛荷華州得梅因市。2009年，張鋒獲得斯坦福大學化學及生物工程博士學位。2017年，他晉升為美國麻省理工學院理學院終身教授，同年8月15日，榮膺阿爾伯尼生物醫學獎，值得一提的是，他是該獎項設立以來第二位獲得此獎項的華人學者。2018年4月，張鋒獲得美國人文與科學學院院士稱號。說起張鋒和CRISPR技術的故事，最早可以追溯到2016年。2016年1月，國際基因測序先驅Eric Lander在國際學術期刊《Cell》發表綜述文章，就此將張鋒的名字和CRISPR技術緊緊聯系到了一起，綜述中評論：“張鋒的研究成果為CRISPR技術帶來了暴風驟雨般的改變”。
在美國，誰先獲得ZL誰就有出奇制勝的“法寶”，張鋒對于CRISPR技術的進一步發展和應用，以速度和質量搶占先機，這一ZL也使他成為了諾獎的熱門候選人。
認識了CRISPR之父，讓我們來看看CRISPR技術到底是什么“神仙”技術吧！
CRISPR技術是一種高效、快速、簡便、廉價的細胞敲除基因技術，這一技術起源于原核生物免疫系統（最初用于抵抗外源遺傳物質的入侵）。CRISPR技術是迄今為止為數不多的可用于靶向基因組編輯的三項技術之一，另外兩項技術是ZFN（鋅指核酸酶）和TALEN（轉錄激活因子樣效應核酸酶)。在張鋒將CRISPR技術進一步發展為CRISPR-Cas9技術之后，CRISPR技術就具有了獨特的優勢，它幾乎可以在任何生物體和細胞類型中進行雙鏈斷裂，使靶向基因組的編輯技術簡化、高效化，從而促進了基因組編輯技術的成熟。此外，CRISPR-Cas9在基因敲除、內源性基因表達調控、染色體位點活細胞標記、單鏈RNA編輯和高通量基因篩選等方面得到了有效的應用。CRISPR-Cas9技術的實施讓可用于研究基因功能的實驗模型的數量大大提升，從而使基于CRISPR技術的疾病造模順利推進。
實質上，CRISPR-Cas9是在CRISPR技術之上的修改，這一修改使其成為一個通用的、適應性強、并針對特定基因組的編輯工具。這個改良版的CRISPR技術利用gRNA引導的Cas蛋白來切割目標DNA序列，這使得CRISPR-Cas9憑借著成本低廉，操作方便，效率高等優點而風靡全球的實驗室，成為了生物科研的有力幫手。如前文所述，CRISPR技術是生物科研的有利幫手，在諸多領域都有涉獵。現如今，無論是在疾病發展、預防還是臨床上，基因編輯都已成為一種可行手段。
生物體內存在一種內在機制來修復引入到其遺傳物質中的損傷。其中一些基因損傷［如DNA雙鏈斷裂(DSBs)］可能是致命的。未修復的DSBs會導至染色體異常和細胞死亡。在哺乳動物細胞中，幾種DSBs修復機制已經進化到可以應對這些致命的DNA損傷。兩種DSBs修復途徑被廣泛認為是哺乳動物細胞中的關鍵DNA修復機制:非同源末端連接(NHEJ)和同源定向修復(HDR)。越來越多的實驗證明，微同源介導的末端連接(MMEJ)和單鏈退火(SSA)是哺乳動物細胞常用的兩種DNA修復機制。
與ZFN和TALEN不同的是，CRISPR基因編輯技術是基于RNA-to-DNA編碼進行定位的。基于CRISPR技術的CRISPR-Cas9基因編輯技術克服了以往基因編輯技術的幾乎所有缺點。因此，唯一的Cas蛋白［以化膿性鏈球菌Cas9蛋白(SpCas9)應用最廣泛］，幾乎可以用于所有細胞和生物體的基因編輯。現在設計和生成一種新的CRISPR靶向點位很簡單，只需改變一個小RNA分子（gRNA或sgRNA）中的向導序列即可。在CRISPR-Cas9技術中，gRNA作為一種嵌合RNA(crRNA)與SpCas9相互作用，通過crRNA的向導序列與靶位點之間的堿基對（Watson-Crick）引導Cas9到達靶點。由于引導序列或間隔序列與靶點(原位點)相同，細菌Cas蛋白進化出了一個非常智慧的系統來區分自序列和非自序列，這就是PAM（polyacrylamide）依賴的DNA裂解系統。一旦上述條件被滿足，Cas9蛋白的內切酶活性被激活，待修復的DSBs被引入目標位點。這些DSBs被內源性的DNA修復機制修復，導至DNA改變，例如DSBs位點的小缺口被位點修補。這些位點就像是CRISPR技術在DNA上留下的腳印。
在臨床科研方面，利用CRISPR基因編輯技術構建動物疾病模型，通過對動物模型進行病理研究，可以更好地了解重大疾病的機理，在藥物研發和臨床治療中都扮演著重要角色。CRISPR技術的誕生使動物疾病模型的構建得到了更好的技術支持。有研究者通過CRISPR技術延伸出一種可在小鼠胚胎中實現效率更高的、甚至可以同時敲除多個基因的方法，使得在受精卵中同時引入報告基因、修飾基因等成為可能。除了小鼠外，該技術也同樣應用于其他哺乳類動物中，例如，利用以CRISPR-Cas9技術為首的基因編輯技術構建人豬嵌合體等，從而為糖尿病患者提供胰腺移植的來源。其中，PDX1作為胰腺發育中的重要調節基因之一，在促使胰腺發育成熟和保證其功能完整中都占有了重要的地位，為基因敲除提供了更多的可行性選擇。該技術還可應用于靈長類動物中的研究，對人類未來醫學發展同樣有著不可忽視的重大意義。更值得一提的是，筆者曾經在先前的專欄文章中提及抗生素耐藥性的問題，CRISPR-Cas9技術在這一方面也有“用武之地”。由于臨床抗生素的不規范使用以及病原體的不斷進化導至的抗生素耐藥性的問題備受關注。細菌種群不斷發生突變，以防御現有抗生素的殺傷作用，目前已經進化出了一些超級細菌。更糟糕的是，這類病原體幾乎對所有的抗生素都不敏感，往往是致死性院內感染的大面積爆發元兇。針對這一棘手的問題，CRISPR-Cas9技術堪稱“希望之光”。在最新的研究中，該技術可通過噬菌體傳遞針對耐藥細菌的基因靶點作為靶向耐藥候選體，使耐藥細菌對抗生素不再耐藥，同時也不會對人體造成傷害。以此類推，針對病毒感染序列的特異性抗病毒藥物也在研發中，這類藥物研發的靶點將落腳在修飾參與宿主-病毒相互作用的基因之上。此外，在基因治療方面，CRISPR技術主要用于修復突變基因、敲除致病基因和誘導多功能干細胞等。在一些對基因治療敏感的疾病：如單基因遺傳病、眼科疾病、艾滋病及腫瘤等，可采用CRISPR技術導入正常基因或編輯修復缺陷基因等手段進行疾病的治療。除此之外，在治療人類的鐮刀形貧血癥方面，可以將病人的皮膚細胞誘導成IPS細胞（誘導多能干細胞），再利用CRISPR-Cas9技術介導同源重組來修復發生突變的血紅蛋白基因，再將修復的IPS細胞定向誘導分化為造血干細胞移植到病人體內。Nature等著名雜志曾先后報道使用CRISPR技術在根除HIV病毒、誘導宮頸癌細胞自我凋亡、構建癌癥模型等臨床科研成果。
先前，加州大學舊金山分校(University
of California, San Francisco)的研究人員和猛犸象生物科學公司(Mammoth
Biosciences)的科學家們在《自然生物技術》(Nature Biotechnology)雜志上發表了一項研究，提出了一種利用CRISPR技術快速識別鼻、咽拭子樣本中冠狀病毒的方法。值得一提的是，猛犸象生物科學公司的顧問委員會成員包括了CRISPR的先驅者Jennifer Doudna。新冠病毒核酸檢測需要4到6個小時。但這項測試也顯示，與現有的冠狀病毒檢測技術相比，它產生假陰性的可能性略高一些。針對該項進展杜蘭大學(Tulane
University)的病毒學教授Robert
Garry評論道：“現有的冠狀病毒檢測存在的問題已經引起了臨床醫生的注意，他們發現有一部分感染了COVID-19的病人核酸檢測結果為陰性。”盡管Garry沒有參與這項研究。但是，他補充提出：“CRISPR技術在新冠病毒檢測方面有潛力，但就該項測試的準確性而言有點夸大其詞了。”面對幾十年來從未有過的嚴峻形勢，新冠肺炎在全球范圍內的傳播是人類共同面臨的一場挑戰，能否打贏這場疫情攻堅戰，背后代表的是全人類的健康事業。我們應該對不斷有新的技術、新的療法、新的藥物可用于新冠肺炎診斷及治療而感到歡欣鼓舞，也應理解任何一種技術和科研成果在真正服務于人類健康事業之前，都必須經過嚴謹、客觀且科學的臨床試驗考量，唯其如此才能真正做到為人類健康以及生活質量的提高造福。[1]STAT《Scientists tap CRISPR’s search-and-detect skills to create a rapid Covid-19 test》https://www.statnews.com/2020/04/16/coronavirus-test-crispr-mammoth-biosciences/[2]華聯科生物：CRISPR科普https://www.jianshu.com/p/00186cdaae2a[3] Lin L, Luo Y. Tracking CRISPR's Footprints. Methods Mol Biol. 2019;1961:13–28.[4]卞姝晨,楊卓軒. CRISPR/Cas9技術在基因治療中的應用及其優化方案初探[J]. 黑龍江科學,2019,04:14-16.[5]
Gupta D, Bhattacharjee O, Mandal D, et al. CRISPR-Cas9 system: A
new-fangled dawn in gene editing. Life Sci. 2019;232:116636.
doi:10.1016/j.lfs.2019.116636
