CRISPR–Cas系统，基因组改造新技术修身齐家治国平天下

有一种细菌编码的酶能够利用向导RNA（guideRNA）分子对特定的DNA片段进行定向切割，科学家们利用这种特点开发出了一种能够对基因组进行特异性定点改造的工具，对细胞乃至整个生物体进行基因组改造。目前已经利用这种技术对细菌、人体细胞以及斑马鱼进行过成功的遗传学改造工作。

图1RNA介导的Cas9系统定向基因组修饰作用机制示意图。Cas9内切酶是一种DNA内切酶，很多细菌都可以表达这种蛋白，Cas9内切酶能够为细菌提供一种防御机制，避免病毒或者质粒等外源DNA的侵入。Cas9内切酶必须在向导RNA分子的引导下对DNA进行切割，这是因为这些向导RNA分子含有与靶DNA序列互补的序列，我们称之为PAM序列。Cas9内切酶在向导RNA分子的引导下对特定位点的DNA进行切割，形成双链DNA缺口，然后细胞会借助同源重组机制（homologousrecombination）或者非同源末端连接机制（non-homologousendjoining）对断裂的DNA进行修复。如果细胞通过同源重组机制进行修复，会用另外一段DNA片段填补断裂的DNA缺口，因而会引入一段“新的”遗传信息。最近有多项研究都表明，RNA介导的Cas9系统可以被用于对人类和小鼠细胞，以及细菌或斑马鱼胚胎进行基因组改造的工作当中。

Cong、Mali和Cho这三个课题组开展的多项研究都表明这种RNA介导的Cas9系统在人类细胞当中同样能够正常的发挥作用。研究发现，对化脓性链球菌（Streptococcuspyogenes）编码的Cas9内切酶进行改造之后也可以让它们在人类细胞的细胞核中被活化，然后再搭配针对人体DNA序列设计的大约20bp长的双RNA复合体或者sgRNA，就可以对人体基因组进行定点切割和改造。科研人员们在多种人体细胞（其中还包括了诱导多能干细胞）内共表达了这种专用于人体的Cas9内切酶和向导RNA，结果都在预定的DNA位点观察到了基因组双链DNA切割，以及后续的修复现象，成功率高达38%，而且还发现这种Cas9内切酶对细胞几乎没有毒性。这套Cas9系统还能够在人体细胞内以非常高的效率对普通的基因组位点进行定向基因替换（targetedgenereplacement）的操作。在Jinek等人于同期发表的另外一篇论文中，他们发现这套RNA介导的Cas9系统还能够在人体细胞内诱发位点特异性的基因组修饰动作（site-specificgenomemodifications），而且他们还发现Cas9蛋白与向导RNA结合、组装的动作是这套位点特异性的基因组修饰过程里的限速步骤。

之前的研究发现，细胞更倾向于使用同源重组机制对单链DNA损伤（single-strandedDNAbreaks）进行修复，因此引入的突变也会更少，Mali和Cong等人也对各种不同的、只能够形成单链DNA断裂的Cas9内切酶进行了试验。结果发现这些突变的Cas9内切酶在细胞内引发NHEJ修复的机率的确更低，但是它们在引发基因替换（这主要是借助同源重组修复机制）的效率方面与野生型的Cas9内切酶不相上下。Mali和Cong这两个课题组还发现这套Cas9系统具有多重靶向功能（multiplexedtargeting），这些Cas9内切酶能够与基因组中两个不同的序列（位点）结合，形成多处断裂。此外，Cong等人还发现如果分别表达tracrRNA和crRNA，还可以进一步提高切割的效率。这一发现表明，如果进一步改进sgRNA的设计方案，使其更接近双RNA复合体的结构，将会进一步提高Cas9系统的基因组编辑效率。

除了这些细胞学的研究成果之外，科学家们还发现这套Cas9系统对于生物体同样有效，一样可以对生物体进行基因组改造的操作。Jiang等人发现，在细菌内表达多种向导RNA之后，Cas9内切酶可以对细菌基因组的多个位点进行修饰操作。借助这一技术可以对各种微生物进行遗传学改造，打造出符合我们人类需要的工程微生物，使其造福人类，在生物能源或者生物制药等诸多领域具有极大的应用潜力。Hwang等人则使用单细胞斑马鱼胚胎（one-cell-stageembryos）进行了试验，他们将编码Cas9蛋白的mRNA和特定的向导RNA（与斑马鱼基因组DNA的匹配机率高达24~59%）注射到斑马鱼胚胎内，结果取得了成功，在所有被注射的斑马鱼胚胎内，10个切割位点中有8个位点都发生了切割，并且引入了插入或者缺失突变。这一试验结果表明，RNA介导的Cas9切割活性完全可以应用于生物体水平，哺乳动物和植物都可以使用这种技术进行遗传学改造。目前最有价值的应用应该就是使用这种技术为各种人类疾病构建出动物模型。

这种基因组改造技术还可以被应用于合成生物学（syntheticbiology）、基因定向干扰或者多重基因干扰（即基因网络干扰）和基因治疗等领域。接下来的研究难点应该就是如何克服脱靶效应（off-targeteffect），如何提高基因组改造的效率和特异性，以及如何将这项技术应用于更多的物种等方面。所以我们也需要对这种Cas9平台与其它的基因组改造技术，比如巨核酶技术（meganucleases）、锌指核酶技术（zinc-fingernucleases）以及TALEN（transcriptionactivator-likeeffectornuclease）技术等进行深入和全面的对比。除了在基因组改造方面的应用之外，使用Cas9平台还可以进行基因沉默等方面的操作（比如使Cas9蛋白失活），或者赋予Cas9蛋白更多新的功能（比如使其具有转录因子样的转录活性等）。其实除了这种Cas9系统之外，细菌还为我们贡献了很多其它的工具，比如限制性内切酶（restrictionenzymes）、热稳定的聚合酶（thermostablepolymerase）等，极大促进了分子生物学的发展。下面，让我们一起期待Cas9技术在生物技术和医学等诸多生物学领域里创造出更多的奇迹吧。