基因編輯——破解上帝的密碼

免疫系統對人類和動物個體的生存具有重要作用。我們防禦病毒、細菌的侵染，實際上是免疫系統在發揮作用。

我們知道，當細菌或病毒入侵人體細胞時，人類通過激活免疫系統，使用吞噬作用、產生抗體進行體液免疫等方式，消滅細菌或病毒。

這是站在人類的角度來看的。

如果我們站在細菌的角度，就會發現，細菌雖小，但它們和人類一樣，也需要所謂的免疫系統來防禦外界的侵染。

例如，有一類病毒稱為「噬菌體」，顧名思義，「噬菌體」就是能夠侵染細菌的一類病毒。

那麼，當噬菌體入侵細菌時，細菌又是如何應對的呢？

CRISPR/Cas9系統

這裡就涉及到基因編輯工具CRISPR/Cas9的發現。

最近一直比較火的CRISPR/Cas9系統到底是什麼呢？

實際上，CRISPR/Cas9是細菌或古細菌在面對病毒入侵時出現的適應性免疫系統。

CRISPR/Cas9

病毒入侵細菌

病毒是如何入侵細菌的呢？

病毒入侵細菌時，通常會將自己的基因組DNA或RNA注入到細菌的細胞內。而病毒注入的這段基因會整合到細菌的基因組中。

圖中我們可以看到，噬菌體吸附到細菌表面以後，通過外殼上的蛋白，打開一個通道，將內部的基因釋放出來。這段基因透過細菌的細胞膜，就能夠進入細菌內部。

病毒將基因注入到細菌體內

病毒的基因進入細菌細胞後，會插入到細菌的基因組內部。對細菌來說，這將是致命的。

可以想像，如果細菌的基因組中含有病毒的基因，那麼，病毒可以利用細菌的營養物質，合成自己所需要的蛋白，並且進行複製，包裝成更多的病毒顆粒，最終病毒將佔領整個細菌的細胞。

因此，細菌絕對不能讓病毒的陰謀得逞。在病毒注入基因時，細菌就要想方設法地阻止這段病毒基因，不能讓病毒的基因發揮功能。

細菌阻止病毒基因發揮功能

細菌如何阻止病毒基因呢？

研究發現，細菌會啟動自身的適應性免疫系統，這個系統就是我們前面提到的CRISPR/Cas9系統。

病毒基因進入細菌後，細菌會迅速獲取病毒基因的序列。隨後，細菌會將獲取的病毒序列整合到自己基因組內的一個特定位點——CRISPR位點，從而獲取對病毒的抗性。

什麼意思呢？

病毒想要把基因整合到細菌的基因組，而此時，細菌先發制人，先獲取這段病毒基因序列，將其整合到自己想要整合的位點，掌握主動權。之後再來想辦法來對付這段病毒基因。

目前已經發現了三種不同的CRISPR機制，研究最廣泛的是第二類CRISPR系統。這個系統主要通過三步反應來應對外來入侵者，分別是獲取（Acquisition）、表達（Expression）和幹擾（Interference），如下圖所示。

CRISPR/Cas系統作為細菌適應性免疫的機制

細菌的具體防禦過程是怎樣的呢？

1. 獲取（Adaptation）

首先，細菌要獲取入侵者的DNA序列（Adaptation）。

病毒的DNA進入細菌體內後，除了病毒本身會去將自己的基因整合到細菌基因組中以外，細菌會將其DNA切成多個短重複序列（~20bp的Repeats），並在這些短重複序列的中間分別加入空格（Spacer），插入到細菌基因組上Cas的基因位點上去。這個插入位點稱為CRISPR陣列（CRISPR Array）。

CRISPR，即Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，翻譯過來就是規律間隔的成簇短迴文序列。而Cas，即CRISPR相關（associated）蛋白；Cas9就是CRISPR相關蛋白9。Cas9是一個核酶，能夠切割核酸。

2. 表達（Expression）

然後，細菌要合成多條短重複序列的RNA（crNA biogenesis）。

CRISPR陣列的DNA被轉錄出前體RNA（Precursor），並切割成為成熟的CRISPR RNA（crRNA）。Cas9基因也被轉錄出來併合成蛋白質。

3. 幹擾（Interference）

最後，細菌需要幹擾病毒基因的合成（Targeting）。

crRNA會指導Cas9到達基因組上與其同源的位置，即病毒基因的位置。Cas執行切割基因的功能，從而破壞病毒基因，達到細菌抗病毒的目的。

CRISPR/Cas9在細菌免疫中的步驟

由於細菌具有這種防禦機制，即使病毒的基因插入到基因組內，也會被Cas9破壞掉功能。因此，細菌就能夠抵制病毒，保護自己。

破解上帝的密碼

在上面這個系統中，最後一步發揮效應階段的機制是具有重大意義的。這種意義甚至可以幫助人們破解上帝造物的密碼，成為對密碼進行改造、加工甚至創造新密碼的基礎。

最後一步短小的crRNA可以像嚮導一樣，帶領效應酶Cas到達基因組的特定位點，進行DNA切割。

它不僅能夠切割病毒的基因，還能夠被設計成編輯哺乳動物基因組的工具。

我們知道，哺乳動物包括人類的基因組從受精卵開始就是確定的了。儘管染色體基因組是父母賜予我們的，但這更像是上帝造人時隨意編造的密碼，人類一直處於接受這個密碼的狀態，沒有方法去改變。

而就是這樣一個最簡單的細菌防禦機制——CRISPR/Cas9系統，就打開了編輯基因的大門，讓人類能夠有方法去像上帝一樣編造密碼。

當然，使用基因編輯工具對人類基因組進行改造仍有倫理問題，人類不能隨意去充當上帝的角色。

CRISPR/Cas系統分類

實際上，CRISPR/Cas系統的效應酶並不止Cas9一個，而是有很多類型的Cas酶。

根據最後切割基因的效應酶是多個Cas還是單個Cas，CRISPR/Cas系統可以分為兩個大類。多個Cas發揮作用的是第一大類，單個Cas發揮作用的是第二大類。

兩個大類中包括目前已知的CRISPR/Cas共包括6個類型：I型到VI型。其中第一大類包括I型、III型和IV型；第二類包括II型、V型和VI型。

第一大類和第二大類CRISPR/Cas系統

目前應用最廣泛的Cas9就屬於第二大類中的II型CRISPR系統。

由於第二類CRISPR/Cas系統僅使用單個效應酶，因此應用簡單，科學家對其研究也最多。這一類系統中的三個類型，對應的效應酶分別為II型對應Cas9；V型對應Cas12；VI型對應Cas13。後續我們可以詳細介紹。

總結

與傳統的基因編輯工具相比，CRISPR/Cas9系統作為基因編輯工具，更加簡單，也更具可操作性。

這個工具的開發來源於對細菌中防禦機制的發現。科學家們對CRISPR/Cas系統的改造使得哺乳動物的基因編輯成為可能。

目前仍有很多新的Cas酶被持續發現，越來越多的工具開發使得人類對於基因編輯更加熟練。基因編輯工具的前景廣闊，有望能夠應用到腫瘤、神經退行性病變等各種疾病的治療中，為人類的健康貢獻力量。