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基因魔剪：改造生命的新技术 [:1700226922]
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基因魔剪：改造生命的新技术 第三代技术——CRISPR‐Cas 9诞生记
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第三代的CRISPR‐Cas 9，是以发表于2012年的某篇论文为其诞生标志的新技术，常被称作“基因魔剪”。正是因为CRISPR‐Cas 9的出现，基因组编辑才获得了全球性的普及。
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这篇论文是美国加利福尼亚大学伯克利分校的詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）博士，以及瑞典于默奥大学（Umea°Universitet）的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）博士的研究组的共同成果。她们创造出的CRISPR‐Cas 9与第一代和第二代基因组编辑技术有着根本性的不同。
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研究组注意到，细菌具备某种防御病毒入侵的机制。细菌之中存在一种名为CRISPR的DNA序列，该序列会在对抗病毒感染时发挥作用，然而，科学家尚不清楚其具体的作用机制。
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CRISPR包含某种颇具特征的重复序列，其中容纳有病毒的部分DNA，这是过去曾感染过的病毒的基因片段。当再次遭受到同种病毒的感染时，细菌就能以该序列为标记，利用一种名为Cas 9的酶，将病毒的DNA切断以防止感染。
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包括我们人类在内的脊椎动物，都拥有免疫系统机制以保护自身。大家知道，如果在小时候曾得过麻疹或水痘，那么将来再次感染时症状就会减轻，这得益于免疫细胞在感染后记住了病原体特征。疫苗利用的就是对病原体的细胞表面特征的记忆作用。接种疫苗之后会发生初次感染，于是免疫细胞就记住了这种特征，在发生二次或多次感染时就能快速消除病原体。这叫作“获得性免疫”。
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在细菌中发现的“CRISPR”的DNA序列和“Cas 9”的酶能起到类似的作用。只不过，作为标记被记住的是基因的碱基序列。换句话说就是，细菌也具备以基因序列为标记的获得性免疫能力。
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两人的研究组在CRISPR和Cas 9的现有功能的基础上，对其进行了易于使用的改进，并展示了将其当作人为切断目标DNA序列的道具来使用的方法。换言之，她们证明了它可以成为基因组编辑的工具。许多研究者都对该项成果给予了回应。
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其中包括由麻省理工学院（MIT）和哈佛大学共同成立的博劳德研究所（Broad Institate）的张锋博士的研究组，他们随即也投入了对CRISPR‐Cas 9的应用和改良工作中。研究组确认了CRISPR‐Cas 9亦可应用于人类和动物细胞，并对其进行了进一步改良，充分展示了它在技术层面的巨大潜力和通用性。自此，对CRISPR‐Cas 9的应用才算是“真刀真枪”地开始了。
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此时，距离2012年的论文发表仅仅过去了2年时间，而CRISPR‐Cas 9已在全球的各项实验中获得了广泛使用，奠定了其基因组编辑的王牌技术的地位。甚至在2015年，还传出了它的发明者有可能成为诺贝尔奖有力候选者的消息。能在如此短的时间里获得广泛关注和普及的技术真是少之又少。作为刚诞生不久的新技术，CRISPR‐Cas 9至今仍在不断完善，不断进化。
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基因魔剪：改造生命的新技术 [:1700226923]
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基因魔剪：改造生命的新技术 “向导”和“剪刀”——CRISPR‐Cas 9的机制解析
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基因组编辑大受瞩目，正是在CRISPR‐Cas 9这一技术开发成功之后。该技术的特征在于，能以极其简单的方式对基因进行精准操作。
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CRISPR‐Cas 9是由两大要素构成的：其一是以RNA（Ribonudeic Acid，核糖核酸）形式存在的被称作“向导RNA”的部分；其二是被称作Cas 9的用于切断DNA的酶。
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向导RNA，顾名思义，承担的是向导的工作，它能找出需要作为靶点进行切断的是DNA的哪一部分。向导RNA巧妙地利用了RNA的功能——RNA和DNA一样都属于核酸，但却具有不同的功能。DNA主要存在于细胞核内，用于保存信息；RNA则承担了对这些情报进行转运，也就是誊写的工作。因此，RNA能够以互补的方式与DNA序列相结合。
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RNA由四种碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）排列而成。每种碱基都能与DNA上相应的碱基相结合。DNA的腺嘌呤（A）对应RNA的尿嘧啶（U）；DNA的鸟嘌呤（G）对应RNA的胞嘧啶（C）。如此确认结合对象的原则称作“互补配对”。比如，RNA引入了腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、尿嘧啶（U）的序列，则它将与序列为胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）的DNA相结合。
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■RNA转运的原理
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CRISPR‐Cas 9正是利用了RNA的这一特性。用图书馆数据库的检索功能来打个比方：我们想要阅读某本书，但在庞大的图书馆里，不知道这本书存放在哪个书架上，于是我们就要使用数据库的关键词检索功能，输入想读的书的标题进行检索，在书海中找到与标题相一致的书的存放位置。
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RNA的使用方法与之类似。书的标题相当于由20个碱基排成的序列，我们需要从DNA中找到与该序列互补一致的排序。人类的基因组是由约30亿对碱基排列而成的，每个细胞中都包含着具有30亿对碱基的DNA，所以，需要从中找到与由20个碱基组成的“标题”完全匹配的DNA序列。用“找到”这个词，或许会让人感到奇妙，我们可以想象成碱基相互之间会朝着完全匹配的结合位点移动。虽然相似的序列之间同样存在吸引力，但只要存在吻合度更高的其他位置，碱基就会朝该方向移动，最终必然能找到完全匹配的位点。
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向导RNA会与用来切断DNA双链的Cas 9内切酶形成一个复合体。该复合体被送入想要进行基因操作的细胞内部，找到目标DNA序列，然后由Cas 9执行对DNA的切断。
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■CRISPR‐Cas 9原理