醫療革命只是開始 神奇的CRISPR基因技術將在15類領域大放光彩

你是否想像過這樣一種未來：人類對生物可以任意「定製」——父母可以「定製」嬰兒，「挑選」未來孩子的身高、樣貌甚至是瞳色;主人可以「定製」寵物，挑選金毛大小的博美、性格溫順的哈士奇;同樣地，主人還可以「定製」植物，培育不帶刺的玫瑰等等。事實上，隨著近年來進展迅速的基因組編輯技術(CRISPR)繼續向前推進，這些都有可能實現。

說到底，什麼是CRISPR?從本源上講，CRISPR是細菌遺傳密碼及其免疫系統的一個定義性特徵。簡單來說，在生物進化的開始，病毒能把自己的基因整合到細菌，，利用細菌的細胞工具為自己的基因複製服務，作為應對，細菌進化出了這種CRISPR系統，可以不動聲色地把病毒基因從自己的染色體上切除。

從本質上說，這是一系列短的重複DNA序列，中間有「間隔」。簡而言之，細菌利用這些基因序列「記住」攻擊它們的每一種特定病毒。細菌將病毒的DNA整合到自己的基因組中，使之成為CRISPR序列中的間隔物，當這種病毒試圖再次攻擊時，就會被細菌免疫。

而在CRISPR基因序列附近，存在著被稱為Cas(CRISPR-associated，CRISPR相關)的基因。關鍵點來了!一旦被激活，這組基因就會產生一種特殊的酶，這種酶和CRISPR共同進化，並且具有「分子剪刀」的功能，可以切割DNA。

科學家將這種酶命名為Cas9，並迅速掌握了用其切除細胞DNA的技術。雖然另有一些從細菌中提取的酶，同樣具有切割DNA的功能，但是多次研究表明， Cas9是應用在動物身上效果最好的一種。因此，我們常聽說的CRISPR技術，實際上全稱應該是「CRISPR- Cas9基因編輯技術」。

很快，科學家們找到了這種技術的正確打開方式：他們在用當CRISPR- Cas9切斷DNA後，將1個攜帶「固定」基因版本的新DNA序列嵌入到多出來的空隙中，為生物「定製」提供了實驗基礎。另外，科學家還可以用這種技術，完全「敲除」特別不想要的基因，比如那些導致遺傳疾病的基因。

值得注意的是，因為倫理方面的因素，CRISPR技術在人類基因編輯方面進展緩慢。鑑於其會對人類基因組，甚至是人類社會造成永久性影響，美國食品藥品監督局(FDA)對其持謹慎態度。一些科學家甚至提議暫停CRISPR試驗，直到人類了解其更多潛在影響。

相較而言，我國在這方面的爭議較小，部分醫院的倫理委員會甚至可以在1天內批覆相關項目，無須上報高級別監管部門。迄今為止，我國也是世界上唯一進行CRISPR人體試驗的國家，以對抗癌症、HIV和HPV。據報導，針對4期胃癌和鼻咽癌等晚期癌症已經取得了一定進展，部分受試者出現了腫瘤縮小的狀況。

固然，CRISPR可能存在一些未能了解的副作用，但對於一些用盡所有傳統治療方法的患者來說，它已經是唯一的選擇。

以上便是CRISPR技術的原理和發展歷程，可以看出，它確實是可以從「根」上改變人類的技術。不過，要實現這一點，不說技術難度，就算是人類在道德倫理上的爭辯，也需要很長時間。當然，科學家們也不可能守著金山挨餓，CRISPR技術很可能在下面15個領域中，率先獲得大規模使用，其中包括在人體上的淺層次應用：

一、健康

1、癌症治療

癌症治療是CRISPR技術應用最有前途的領域之一。恰好，一開始，CRISPR的研究重點也是在這方面。科學家們可以用CRISPR，將正常形式的基因替換為一種有缺陷的致癌基因，從而建立一個模型，更好地觀測癌症的形成、影響，分析可能的治療方式。

在研究癌症的同時，研究人員還對人體免疫系統下手，試圖創造新的免疫療法來對抗癌症。利用CRISPR，科學家也許可以培育出能殺滅癌細胞的免疫t細胞。簡單來說，未來，人類的免疫系統可能可以像抵抗感冒病毒一樣抵抗癌症。

之前提到，中國在這方面的研究處於領先狀態，而此前一直對人體試驗有所牴觸的美國，今年也要打破舊例，開始包括癌症在內的一系列人體研究。據悉，賓夕法尼亞大學的研究人員將第一個吃螃蟹，不過他們的項目是鐮狀細胞疾病。

不過，從目前的研究來看，CRISPR在對抗癌症方面是一把雙刃劍。最近的2項研究表明，被CRISPR-Cas9改變的細胞在編輯時，可能關閉腫瘤抑制基因p53，引發癌症。

2、基因疾病治療

基因疾病是CRISPR早期應用的另一個領域，典型如鐮狀細胞病——引起紅細胞畸形(鐮狀)並分解的疾病。

在這個領域，美國創業公司CRISPR Therapeutics是使用CRISPR的先行者。在試驗中，他們從患者的血液中收集幹細胞，成功使用CRISPR激活基因開關，讓細胞恢復健康，再將其送回病人體內。目前，該研究已經通過測試，CRISPR Therapeutics正致力於將其投入臨床試驗。

順著這條路，CRISPR技術還能用於治療一系列遺傳疾病，包括遺傳性失明、囊性纖維化、亨廷頓氏舞蹈症等等。

3、傳染病治療

在用CRISPR技術對抗傳染病方面，愛滋病研究是重中之重。2017年5月，坦普爾大學和匹茲堡大學研究人員成功利用CRISPR-Cas9技術，關閉了HIV-1的複製(HIV-1導致了95%的HIV感染)，將病毒從受感染的動物細胞中清除。

1年後，日本神戶大學的科學家又利用CRISPR，成功刪除HIV-1的兩個調控基因，阻止了它在人體內的傳播。這一結果得到了《自然》雜誌的背書，研究人員在文章中指出:「基於CRISPR-Cas9研究的快速進展，HIV-1的功能性治療可能很快就會實現。」

4、基因篩查

相對而言，對胚胎進行基因篩選是一個有爭議的應用方向。目前，CRISPR技術在這方面的應用還處於早期階段，大致還停留在選擇嬰兒瞳色上。不過在未來，它還大有潛力可挖掘。

舉個例子，科學家們正在研究一種「體外配子發育」(IVG)技術，試圖在不需要精子和卵子的情況下，僅從口腔擦拭獲得細胞中提取DNA，人工製造出受精卵。在IVG過程中使用CRISPR技術，科學家就可以相對容易地修復或編輯基因，消除疾病，甚至賦予胚胎遺傳優勢。

此外，CRISPR也可能被用來防止流產。弗朗西斯克裡克研究所的研究小組使用CRISPR，成功阻止了1種導致胚胎崩潰的蛋白質產生。

5、器官移植

器官移植和捐贈是一個複雜的過程，目前市場處於嚴重的供不應求狀態，即使移植完畢，病人也總遭到排斥反應的威脅。根據美國器官共享聯合網絡的數據，每10分鐘就有1人被列入全美器官移植名單，同事，每天有20人在等待移植時死亡。

然而，CRISPR技術帶來的異種移植技術，可能可以改變局面。所謂「異種移植」，就是將另一種動物的細胞、組織或器官移植到人體內。

利用先進的基因組編輯工具探索異種移植的可能性，這是由CRISPR先驅者創建的eGenesis實驗室率先提出的概念。按照設想，研究人員可以使用CRISPR將人類幹細胞注射到動物，比如豬的體內，讓其生長，同時，人們用CRISPR-Cas9幹預，使之長成某種器官，如心臟、肝臟、胰腺等。

對於人類來說，這項技術還有很長的路要走，但是異種移植已經在老鼠身上成功試驗：科學家們成功用老鼠細胞在老鼠體內培育了大鼠胰臟。

6、診斷

目前的醫療診斷，需要患者親自前往醫療現場，還需要較長時間收集結果，速度緩慢。杜德納(Jennifer Doudna)創建的猛獁生物科學公司聲稱，他們「基於CRISPR的疾病檢測平臺」，可以提供遠超目前標準的診斷方法。

按照他們的描述，利用CRISPR技術，病人只需將某種疾病樣本激活檢測卡，卡片就會出現可見的顏色變化，為醫療人員提供診斷依據。據其表述，他們的目標是為醫院、病人提供快速、廉價和簡便易行的疾病檢測方法。

二、動物&農業

7、農作物培育

從雜交水稻到轉基因農作物，在農業領域，人工挑選更大、更優質的農作物是一種慣例。現在，CRISPR技術大大擴展了研究人員改變作物的基因工具箱。

CRISPR可以用來培育適應性更強，更有或營養的作物。例如，隨著全球變暖，乾燥的氣候條件和真菌疾病正在威脅西非(世界上超過一半的巧克力產地)的可可植物。為此，加州大學伯克利分校的創新基因組研究所與糖果製造商Mars合作，正使用CRISPR技術來培育抗病可可。

而在紐約，博伊斯·湯普森研究所(Boyce Thompson Institute)利用CRISPR技術對番茄基因進行了編輯，創造了「自我修剪」的番茄。在這種番茄植株上，每根枝條都能長出更多的果實，番茄成熟後，會自動和植株「一刀兩斷」，農民們可以收穫乾乾淨淨的無蒂番茄。

8、食物保存

2014年，我國科學家利用CRISPR技術，培育出了一種抗白粉病的麵包小麥。2016年4月，白紐扣蘑菇成為第一個獲得美國農業部批准的、經CRISPR技術編輯的食物，這種蘑菇在改良後，可以抵抗褐變。而在未來，CRISPR技術可能會消滅傳統的防腐劑。如果用其在食品基因中寫入防腐特性，而且帶來毒性還比防腐劑小，絕對會受到反添加劑運動支持者的熱烈歡迎。

9、釀酒

加州大學伯克利分校生物學家利用CRISPR技術培育出了一種酵母菌。這種酵母可以在不用啤酒花的情況下，釀造出帶有啤酒花風味的啤酒。除了改變釀造方式外，更重要的意義在於，這項發現能減少釀酒行業的浪費。目前，使用啤酒花釀製1品脫啤酒，需要50品脫左右的水;而在使用轉基因酵母替代或補充啤酒花後，可以極大減少耗水量。

10、寵物和獸醫服務

在動物研究上，CRISPR技術就不存在人體試驗中的諸多禁忌，因此其進展也相對迅速。

2015年，我國科學家成功用CRISPR技術改良了2隻狗的基因。在改良後，這2隻名為「大力神」和「天溝」的小獵犬身上出現了更多肌肉，奔跑能力也得到了加強。同年，北京基因組研究所利用另一種基因編輯方法TALENs，在小型寵物豬身上添加了定製的顏色和圖案。

無論是肌肉狗還是雕花豬，都只是CRISPR技術在動物改造領域的小試牛刀，其更緊迫的應用可能是在獸醫領域。目前，獸醫研究人員正研究用CRISPR防止豬疾病的傳播、提高繁殖能力，以及反過來，通過注射經過扭曲的基因，在幾代之內破壞動物繁殖能力，以控制種群數量。

11、動物保護和復現滅絕生物

隨著CRISPR研究的推進，研究人員出現了1種神奇的想法：這種技術可能可以「復活」滅絕物種。例如，「再生與恢復」組織的科學家們正在使用CRISPR技術試圖帶回猛獁象的雜交後代，試圖重現猛獁象3600年前的威風。

研究小組的目標是將猛獁象的基因拼接到大象胚胎基因組中，創造出具有猛獁象所有特徵的猛獁象-大象雜交體。他們希望，復活的猛獁象能夠將北極苔原重新轉化為草原，為應對氣候變化盡一份力，並為現代醫學研究和大型哺乳動物保護做出貢獻。哈佛大學科學家信心滿滿地表示，人們明年就能看到猛獁象的「復活」。

三、生物科技

12、藥物研發

目前的藥物研發過程漫長、昂貴，還存在許多障礙，CRISPR技術的應用可以顛覆這個過程。研究人員可以使用CRISPR「敲除」特定基因，篩選出特定的促進疾病的基因，以及和耐藥性有關的基因，以開發更有效的治療方法。

此外，建立「疾病模型」來測試新藥一直是一個複雜和昂貴的過程。但CRISPR技術可以讓研究人員快速、低成本、精確地創建疾病模型，然後在這些模型上測試他們的藥物供應，使之快速進入早期臨床階段。

13、新材料研發

除了老生常談的治病話題以外，CRISPR技術還可以用於工業生物技術領域，比如研發新材料。

專注於CRISPR的非治療應用的創業公司Caribou Bioscience提供基於CRISPR的工具，改善工業發酵過程，革新化學品和酶的生產過程。他們還用CRISPR操縱微生物，生產新的化學品。潛在的新型生物材料包括香精、香精和工業清潔產品。換句話說，CRISPR技術不僅是科學界的陽春白雪，其產物更有可能飛入尋常百姓家。

四、能源

14、生物燃料

2017年6月，合成基因組公司聯手埃克森美孚，培育出了一種富含石油的藻類，可以轉化為燃料。

當然，這不是說讓藻類直接分泌石油，只是研究人員使用CRISPR-Cas9在內的技術，識別和「關閉」藻類中調節脂肪生產的蛋白質。因此，這些人工藻類在保持生長速度的情況下，可以產生2倍於野生同類的脂肪，成為生物燃料的絕佳原材料。

該組織的長期目標是創造「可持續的、可再生的生物燃料，與從地下開採石油相比具有成本競爭力」，研究人員目前正在努力擴大藻類燃料的規模。

五、國家安全

15、生化武器

2016年2月，美國前國家情報總監克拉珀(James Clapper)將基因編輯加入了「大規模殺傷性武器和擴散武器」構成的威脅名單。克拉珀指出，基因組編輯的研究，可能會推進潛在有害生物製劑或產品的生產。此外，CRISPR技術還可以培育攜帶病毒的蚊子、消滅關鍵作物的瘟疫或危險的病原體。

美國國家科學院認為，要找到應對此類威脅的有效對策非常困難。隨著CRISPR技術的發展，其作為武器和防禦工具的用途必將擴大。

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