过去十年，CRISPR-Cas9基因编辑彻底改变了科学。它被誉为生物遗传学和医学的突破，具有治疗或消除许多慢性或遗传疾病的潜力。

该技术在精确的目标位置切割DNA。切割的位置由一条RNA链(称为RNA向导)决定，该链带有与目标DNA序列互补的核苷酸序列。RNA向导穿过DNA，直到找到准确的目标序列。与RNA向导结合的是Cas9酶，它通常被比作一把剪刀。一旦RNA引导找到目标序列，Cas9就会准确地在RNA引导指示的位置切割DNA分子。这一过程使科学家能够比以往更精确、更轻松地灭活或修改特定基因。

CRISPR机制自然进化，可能是在十亿多年前。科学家们已经利用它进行基因编辑，但他们并没有创造它。“公众可能认为CRISPR是为基因组编辑工作而生的，但它实际上是细菌和古细菌中发现的天然免疫系统的主力，”分子生物学和遗传学的AilongKe解释道。“它通过将病毒基因组切成碎片来对抗病毒。”

作为一名对RNA生物学特别感兴趣的生物化学家，Ke发现CRISPR-Cas系统具有不可抗拒的吸引力。他和他的实验室致力于探索支撑其的机制。研究人员使用冷冻电子显微镜和X射线晶体学等尖端工具(这两种工具都可以揭示原子水平的大分子结构)来观察CRISPR-Cas机器的齿轮。

“我们的根本动力是科学好奇心，”柯说。“我们想了解这个系统是如何工作的。对这个系统的充分了解会带来关于如何使用它的有趣想法。它是一个非常强大的工具：它具有高度特异性。它永久地改变细胞内的遗传信息，这会产生深远的影响……这项技术有望治愈罕见的遗传疾病，或者对抗癌症和病毒。”

CRISPR-Cas3的力量

细菌中天然存在的CRISPR-Cas系统可以基于Cas家族中多种酶中的任何一种。虽然Cas9一直受到所有媒体报道，但Ke实验室一直在探索其更复杂的表亲CRISPR-Cas3，它在细菌中非常受欢迎。Ke解释说，自然界中几乎50%的已知CRISPR-Cas系统都使用Cas3。

“Cas3的组成和活性与Cas9不同，”他说。“Cas3不仅会切割DNA，还会将其撕成碎片。其后果是巨大的。Cas3完全消除病毒基因组的能力可能有助于其在细菌中的流行。”

尽管CRISPR-Cas3功能强大，但由于其复杂性，很少用于基因组编辑应用。“人类细胞中的基因组编辑应用很难驯服，”柯说。“这就是为什么我们从基础科学开始，首先了解它在试管中的工作原理。”

一旦柯和他的实验室很好地掌握了该系统的工作原理，他们就与其他研究人员(包括密歇根大学的基因组编辑专家张岩)建立了合作，利用CRISPR-Cas3在人类细胞中进行基因组编辑。这项工作为CRISPR-Cas3治疗人类遗传疾病和根除持续感染人类细胞的病毒(如疱疹和乙型肝炎)的潜在应用铺平了道路。

“我们仍然需要克服很多障碍，”柯说。“例如，我们如何将CRISPR-Cas3工具传递到细胞中?我们还需要确保任何基于CRISPR-Cas3的治疗方法既有效又安全。”

改变游戏规则的应用程序

Ke和他的实验室正在研究CRISPR-Cas3工具的多种应用。“我们的一个想法是对其进行编程，将病毒基因组撕成碎片，就像细菌使用它一样，”柯说。“但我们有另一个让我们非常兴奋的想法：将其用作抗癌治疗的可能性。”

柯指出，人类正在进入个性化医疗时代，治疗将针对个体进行精准定制。他说：“我们将使用更强大的治疗工具，并且将以更高的准确性来瞄准疾病。”“我们的CRISPR-Cas3抗癌应用有潜力成为其中的一部分。我们正在针对癌细胞中的特定突变来实现治愈。如果我们的方法被证明是成功的，那么这将是真正有影响力的研究。”

2008年，柯刚开始从事科学家工作时，CRISPR是RNA生物学的一个新领域。“关于CRISPR的论文只发表了大约30篇，我读了每一篇，”他说。“今天发表了数以万计的论文。我跟不上。当一个领域像这样健康时，你会看到论文发表量呈指数曲线上升。

“我记得读过那些早期的论文，想知道是什么机制导致了这些大分子的行为，”他继续说道。“我们都在摸不着头脑，试图找出解释。当我们最终开始理解其中的机制时，回报超出了我们最疯狂的梦想。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：