高能生物課 | CRISPR技術是什麼,能編輯人類DNA和RNA?

首先，我們先複習兩個熟悉而陌生的概念：

RNA：核糖核酸

DNA：脫氧核糖核酸

原核生物和真核生物的遺傳物質是DNA，病毒的遺傳物質是DNA或RNA。

好，去片。

RNA結構圖

日前，麻省理工學院腦認知科學系博士張峰在《科學》在雜誌發表的研究成果顯示，其團隊首次實現利用CRISPR進行RNA編輯。據悉，張峰及其團隊發明了一種靶向作用於RNA而不是DNA的新型CRISPR系統，論文題為「C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector」。

CRISPR系統，為目前發現存在於大多數細菌與所有的古菌中的一種後天免疫系統，以消滅外來的質體或者噬菌體，並在自身基因組中留下外來基因片段作為「記憶」，全名為「常間回文重複序列叢集/常間回文重複序列叢集關聯蛋白系統」。

具體來說，在生命進化歷史上，病毒的擴散方式是把自己的基因寄生到細菌裡，利用細菌的細胞工具來複製自己的基因（病毒沒有細胞），而細菌為了降解外來入侵的病毒基因，進化出一個能夠把病毒基因從自己的染色體上切除的CRISPR系統——這也是細菌特有的免疫。

CRISPR利用的突破：從DNA編輯到RNA編輯

從過去10年開始，科學家只能利用這個系統研發出進行DNA編輯的技術，典型的是依靠一個複合物，該複合物能在一段RNA（核糖核酸）指導下，定向尋找目標DNA序列，然後將該序列進行切除。簡答來說，就是手動輔助細胞免疫，從而進行癌症治療。

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)此前報導，科學家發明了CRISPR/Cas9基因編輯系統，即是通過對一種蛋白Cas9的複合物進行操作，來對多種目標細胞DNA進行切除。

然而，張峰博士這次的技術突破使得CRISPR系統以RNA為靶向目標，而不再限於DNA切除免疫。

這要從去年10月說起。

去年10月，一組來自麻省理工學院、麻省理工學院-哈佛博德研究所、美國國立衛生研究院（NIH）、羅格斯大學的科學家發現了C2c2酶。C2c2是一種由RNA介導，能定向降解RNA的酶。這種酶可以幫助細菌抵禦病毒入侵，而且隨著科學家的進一步研究發現，C2c2酶可以用來剪切細菌細胞中特定的RNA序列。

只以RNA為目標，這允許其高通量地精確操縱RNA。這有什麼好處呢？我們都知道，病毒是一種沒有細胞結構的最低級的生命體，最簡單的病毒中心是核糖核酸（RNA）。而在植物病毒中，除少數例外（如花椰菜花葉病毒Caulif- lower mosaic virus），幾乎都是RNA病毒。RNA病毒的遺傳物質由核糖核酸（RNA）組成。

DNA是細胞身份與功能的基因組；RNA則是幫助實現這些基因組指令的角色。C2c2僅以RNA為靶向目標的特點，能對RNA實施更精準、更大規模的暫時性操控——可以理解為：擒賊先擒王。更加切中要害地調控基因功能，能夠促進人類醫學上的疾病認知、治療和預防。

DNA編輯讓細胞基因組發生永久性變化，但是這種基於CRISPR的RNA靶向方法可能允許科學家們讓細胞基因組發生可根據需要進行上下調節的臨時變化。

C2c2的應用前景

關於利用RNA及其衍生物進行基因表達幹擾的技術已有先例，比如對同樣參與糖核酸幹擾的小分子RNA——siRNA的利用。而基於C2c2酶的RNA編輯將更具優勢，應用也更加廣泛，比如：

在特定的RNA序列上添加分子元件（modules），可以調節RNA的翻譯功能。

RNA的翻譯過程中，從DNA轉錄後，RNA被信使RNA（mRNA）為基礎合成具有一定胺基酸順序的蛋白質。所以這樣一來，隨便怎樣都是對蛋白質表達的大規模幹擾。

比如，也可以：

利用C2c2螢光標記RNA，追蹤它們的運輸。

當然，這只是舉例，為的是說明當我們掌握更基礎、精準的生物分子操控技術後，對上層的生命表達也有了更多施展的空間。

關於CRISPR系統的其他研究突破

本次科學家的新發現主要是專攻RNA的C2c2。而除了此前專攻DNA的CRISPR-Cas9，科學家還發現了有別於「CRISPR-Cas9」的另一條基因「剪切」之路，更有利於基因編輯後的修復。

今年4月底，哈爾濱工業大學正式對外發布，該校生命學院教授黃志偉及其團隊首次揭示了CRISPR-Cpf1識別crRNA的複合物結構。

所謂「CRISPR-Cpf1」，是最新被人類發現的最高效的DNA編輯工具。人類知道DNA這個物質由來已久，但是無法控制用以優化。眾所周知，人類疾病中的癌症、愛滋病或遺傳疾病都可以在DNA中找到「答案」，而「CRISPR-Cpf1」就是破解「答案」的關鍵，只不過，過去人們一直無法掌握這個答案的作用機制。如今，「CRISPR-Cpf1」的運行機制被破譯。

具體來說，工具「CRISPR-Cpf1」，它能夠直接改造基因——就像文字編輯軟體「修改文檔」一樣來「修正」基因，而不只是暴力切除。這意味著，人類以後可通過對基因進行手術來根治某些疾病。

這樣發展下去，「美國隊長」成真也不是沒有可能的！

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