crispr-cas是如何引起基因变化的？
在活生物体中起作用的CRISPR-Cas9系统。插图画家:斯蒂芬·狄克逊
所谓基因编辑技术，是指DNA核苷酸序列的删除和插入，换句话说，基因编辑技术使人能够按照自己的意志改写DNA，一部由脱氧核苷酸写成的生命之书。然而，长期以来，DNA的编辑只能通过物理化学诱变和同源重组来完成。但是这些方法要么编辑位置随意，要么需要大量的人力物力来操作。因此，方便、准确地编辑DNA和核苷酸序列是研究人员长期以来的梦想。CRISPR-Cas9系统的诞生和成熟，标志着这个梦想的逐步实现。此外，不仅在科研领域，在医疗、农业、畜牧业等研究领域，这项技术也显示出巨大的应用前景。因此，这项技术的专利是这项技术应用的里程碑。
从细菌免疫系统到DNA编辑工具
CRISPR-Cas9系统不是为人类使用而生的。其本质其实是针对细菌中病毒等外来DNA的防御系统。在一些细菌基因组中有一系列成簇排列的DNA序列，称为“规则间隔的短回文重复序列”(CRISPR)。发现这些重复序列的间隔序列与许多可以侵入细菌的噬菌体DNA序列相同。进一步研究发现，这些序列被转录成RNA后，可以与细菌产生的一种叫做Cas的蛋白质形成复合物，引导Cas蛋白，所以这种RNA也被称为gRNA。当复合体检测到入侵DNA与gRNA序列一致时，Cas蛋白可以切割入侵DNA，达到防御的目的。
注:严格来说，细菌中的gRNA由两部分组成:一部分是激活Cas蛋白所需的tracrRNA，另一部分是来自间隔区的识别入侵DNA的crRNA。在人工构建的CRISPR-Cas9系统载体中，这两个RNA片段可以融合成一个。
CRISPR-Cas系统是一种序列特异性的DNA切割机制，很快引起了人们的兴趣。因为该系统可以切割DNA，并且其序列特异性由crRNA的序列决定，所以它已经成为DNA编辑的理想工具。细菌中的CRISPR-Cas系统极其多样，其中Cas9蛋白参与的来自化脓性链球菌的系统已被研究得最彻底。因此，对其进行了修饰，将编码Cas9蛋白的序列及其辅助元件* * *制成单个载体。同时，为了让这些成分进入真核细胞的细胞核，增加了一个入核信号元件。这样，只要研究人员只需要为要编辑的DNA序列合成一个DNA序列，并将其插入到这个载体的特定部分。人工构建的gRNA转入宿主细胞后，可以引导Cas9蛋白切割宿主细胞的特定DNA序列，从而起到基因编辑的作用。
CRISPR-Cas9基因编辑系统示意图。图片来源:生物化学和生物物理学进展
DNA编辑的广阔前景
CRISPR-Cas9系统被称为第三代基因编辑技术。与它的两个前身ZFN体系和塔伦体系相比，它具有一些无可比拟的优势。首先，CRISPR-Cas9系统的可用位置更多。理论上，基因组中每八个碱基就能找到一个可以被CRISPR-Cas9编辑的位置。可以说，这种技术可以对任何基因进行操作，而塔伦和ZFN系统只能在数百甚至数千个碱基中找到一个可用的位置，大大限制了使用范围。其次，CRISPR-Cas9系统的可扩展性更强。比如可以对Cas9蛋白进行改造，使其不切割DNA双链，只切割单链，这样可以大大降低切割双链后由于非同源末端连接导致染色体变异的风险。此外，Cas9蛋白可以与其他功能蛋白相连，以研究这些蛋白对细胞特定DNA序列的影响。第三，更重要的是，CRISPR-Cas9系统使用起来非常方便，简单几步就能完成。几乎任何实验室都可以在没有像ZFN和塔伦这样的商业公司的帮助下开展工作。因为以上特点，CRISPR-Cas9被评为2013年度10生物突破之一。值得注意的是，真核细胞中CRISPR-Cas9系统的许多重要研究都是由中国学者张峰进行的。
由于来源于细菌的CRISPR-Cas9系统在真核细胞中也能很好的工作，显示了其巨大的应用潜力。比如在基础科学研究领域，CRISPR-Cas9系统多用于定点敲除一些基因，以便于研究这些基因的生物学功能。同时，CRISPR-Cas9系统的商业应用潜力也不容小觑。比如在生物治疗领域，结合诱导多能干细胞(iPS)的技术，人们可以将通过基因编辑修复的iPS细胞重新开发成正常的组织和器官，供患者使用。在家畜育种等工作中，编辑一些关键性状基因可以大大加快良种的选育。
正是因为众多优秀的特性和广阔的应用前景，CRISPR-Cas9成为专利申请的热点方面。虽然已经有许多关于CRISPR序列或Cas蛋白应用的专利，但这项广泛的研究被批准为第一项包括一整套CRISPR-Cas9系统载体和操作方法的专利。这意味着未来使用该技术的基因编辑操作将会涉及到该专利所保护的内容。那么，专利的批准会阻碍这项技术的使用吗？目前，基础研究不太可能受到影响，因为布罗德研究所所长埃里克·兰德(Eric Lander)在专利公告的新闻稿中表示:“考虑到布罗德研究所的使命是加速我们对疾病的理解和治疗，我们承诺授权全球的研究团队使用这项技术。”但在更有利可图的商业应用领域，这项专利的出现是否会对使用这项技术的企业产生影响，还有待观察。毕竟远大所除了上面的说法还有一句话:“享有对本专利的限制权。”