作为近几年大热的一个全新的基因编辑技术,CRISPR与中国也颇有渊源。拥有“CRISPR之父”之称的著名科学家张锋是出生于中国河北石家庄的华裔科学家,更是当今最受关注的华裔生物学家之一。这位青年才俊出生于1982年,1993年随父母移民美国爱荷华州得梅因市。2009年,张锋获得斯坦福大学化学及生物工程博士学位。2017年,他晋升为美国麻省理工学院理学院终身教授,同年8月15日,荣膺阿尔伯尼生物医学奖,值得一提的是,他是该奖项设立以来第二位获得此奖项的华人学者。2018年4月,张锋获得美国人文与科学学院院士称号。
说起张锋和CRISPR技术的故事,最早可以追溯到2016年。2016年1月,国际基因测序先驱Eric Lander在国际学术期刊《Cell》发表综述文章,就此将张锋的名字和CRISPR技术紧紧联系到了一起,综述中评论:“张锋的研究成果为CRISPR技术带来了暴风骤雨般的改变”。
在美国,谁先获得ZL谁就有出奇制胜的“法宝”,张锋对于CRISPR技术的进一步发展和应用,以速度和质量抢占先机,这一ZL也使他成为了诺奖的热门候选人。
CRISPR技术是什么?
认识了CRISPR之父,让我们来看看CRISPR技术到底是什么“神仙”技术吧!
CRISPR技术是一种高效、快速、简便、廉价的细胞敲除基因技术,这一技术起源于原核生物免疫系统(最初用于抵抗外源遗传物质的入侵)。CRISPR技术是迄今为止为数不多的可用于靶向基因组编辑的三项技术之一,另外两项技术是ZFN(锌指核酸酶)和TALEN(转录激活因子样效应核酸酶)。
在张锋将CRISPR技术进一步发展为CRISPR-Cas9技术之后,CRISPR技术就具有了独特的优势,它几乎可以在任何生物体和细胞类型中进行双链断裂,使靶向基因组的编辑技术简化、高效化,从而促进了基因组编辑技术的成熟。此外,CRISPR-Cas9在基因敲除、内源性基因表达调控、染色体位点活细胞标记、单链RNA编辑和高通量基因筛选等方面得到了有效的应用。CRISPR-Cas9技术的实施让可用于研究基因功能的实验模型的数量大大提升,从而使基于CRISPR技术的疾病造模顺利推进。
实质上,CRISPR-Cas9是在CRISPR技术之上的修改,这一修改使其成为一个通用的、适应性强、并针对特定基因组的编辑工具。这个改良版的CRISPR技术利用gRNA引导的Cas蛋白来切割目标DNA序列,这使得CRISPR-Cas9凭借着成本低廉,操作方便,效率高等优点而风靡全球的实验室,成为了生物科研的有力帮手。
CRISPR技术的应用
如前文所述,CRISPR技术是生物科研的有利帮手,在诸多领域都有涉猎。现如今,无论是在疾病发展、预防还是临床上,基因编辑都已成为一种可行手段。
基于CRISPR技术的DNA修复
生物体内存在一种内在机制来修复引入到其遗传物质中的损伤。其中一些基因损伤[如DNA双链断裂(DSBs)]可能是致命的。未修复的DSBs会导至染色体异常和细胞死亡。在哺乳动物细胞中,几种DSBs修复机制已经进化到可以应对这些致命的DNA损伤。两种DSBs修复途径被广泛认为是哺乳动物细胞中的关键DNA修复机制:非同源末端连接(NHEJ)和同源定向修复(HDR)。越来越多的实验证明,微同源介导的末端连接(MMEJ)和单链退火(SSA)是哺乳动物细胞常用的两种DNA修复机制。
与ZFN和TALEN不同的是,CRISPR基因编辑技术是基于RNA-to-DNA编码进行定位的。基于CRISPR技术的CRISPR-Cas9基因编辑技术克服了以往基因编辑技术的几乎所有缺点。因此,唯一的Cas蛋白[以化脓性链球菌Cas9蛋白(SpCas9)应用最广泛],几乎可以用于所有细胞和生物体的基因编辑。现在设计和生成一种新的CRISPR靶向点位很简单,只需改变一个小RNA分子(gRNA或sgRNA)中的向导序列即可。在CRISPR-Cas9技术中,gRNA作为一种嵌合RNA(crRNA)与SpCas9相互作用,通过crRNA的向导序列与靶位点之间的碱基对(Watson-Crick)引导Cas9到达靶点。由于引导序列或间隔序列与靶点(原位点)相同,细菌Cas蛋白进化出了一个非常智慧的系统来区分自序列和非自序列,这就是PAM(polyacrylamide)依赖的DNA裂解系统。一旦上述条件被满足,Cas9蛋白的内切酶活性被激活,待修复的DSBs被引入目标位点。这些DSBs被内源性的DNA修复机制修复,导至DNA改变,例如DSBs位点的小缺口被位点修补。这些位点就像是CRISPR技术在DNA上留下的脚印。
CRISPR技术的其他方面应用
CRISPR和COVID-19
先前,加州大学旧金山分校(University
of California, San Francisco)的研究人员和猛犸象生物科学公司(Mammoth
Biosciences)的科学家们在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上发表了一项研究,提出了一种利用CRISPR技术快速识别鼻、咽拭子样本中冠状病毒的方法。值得一提的是,猛犸象生物科学公司的顾问委员会成员包括了CRISPR的先驱者Jennifer Doudna。新冠病毒核酸检测需要4到6个小时。但这项测试也显示,与现有的冠状病毒检测技术相比,它产生假阴性的可能性略高一些。
针对该项进展杜兰大学(Tulane
University)的病毒学教授Robert
Garry评论道:“现有的冠状病毒检测存在的问题已经引起了临床医生的注意,他们发现有一部分感染了COVID-19的病人核酸检测结果为阴性。”尽管Garry没有参与这项研究。但是,他补充提出:“CRISPR技术在新冠病毒检测方面有潜力,但就该项测试的准确性而言有点夸大其词了。”
药时代评述
面对几十年来从未有过的严峻形势,新冠肺炎在全球范围内的传播是人类共同面临的一场挑战,能否打赢这场疫情攻坚战,背后代表的是全人类的健康事业。我们应该对不断有新的技术、新的疗法、新的药物可用于新冠肺炎诊断及治疗而感到欢欣鼓舞,也应理解任何一种技术和科研成果在真正服务于人类健康事业之前,都必须经过严谨、客观且科学的临床试验考量,唯其如此才能真正做到为人类健康以及生活质量的提高造福。
让我们共同期待未来医药研发事业的进展!
参考文献[1]STAT《Scientists tap CRISPR’s search-and-detect skills to create a rapid Covid-19 test》https://www.statnews.com/2020/04/16/coronavirus-test-crispr-mammoth-biosciences/[2]华联科生物:CRISPR科普https://www.jianshu.com/p/00186cdaae2a[3] Lin L, Luo Y. Tracking CRISPR's Footprints. Methods Mol Biol. 2019;1961:13–28.[4]卞姝晨,杨卓轩. CRISPR/Cas9技术在基因治疗中的应用及其优化方案初探[J]. 黑龙江科学,2019,04:14-16.[5]
Gupta D, Bhattacharjee O, Mandal D, et al. CRISPR-Cas9 system: A
new-fangled dawn in gene editing. Life Sci. 2019;232:116636.
doi:10.1016/j.lfs.2019.116636