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CRISPR十周年:这是它未来的四个发展方向

编辑 | 药明康德内容团队
 

2012年6月28日,生物医学迈入了一个崭新的纪元。这一天,《科学》杂志在线发表了一篇里程碑式的论文,介绍了后来被简称为CRISPR的全新基因组编辑工具。在接下来的十年里,它颠覆了整个生物技术领域,不仅大大加速了基础科学的研发进程,也带来了许多有望从根本上治愈疾病的创新疗法。2015年,《科学》杂志将这一工具评为年度突破。2020年,带来这一技术的两名科学家也斩获了诺贝尔化学奖的殊荣。

这篇里程碑式的论文迄今已被引用超过14000次丨图片来源:参考资料[1]

 

时光荏苒。很快,距离这篇论文的发表也已经过去了十年。从细菌体内的“免疫系统”,到修改人类生命天书的“基因魔剪”,这十年里,CRISPR技术可谓是一飞冲天。展望未来,它也将继续为人类健康带来深远的影响。

 

意外的发现

 

如同科学中的许多重磅突破那样,CRISPR基因编辑技术的发现也可以说是源自意外。几十年前,一名叫做Francisco Mojica的博士生在西班牙攻读博士学位,研究一种古细菌。在分析其DNA序列时,Mojica观察到了一个有趣的现象——这些微生物的基因组里,存在许多奇怪的“回文”片段。这些片段长30个碱基,而且会不断重复。在两段重复之间,则是长约36个碱基的间隔。对于这种具有规律性的重复,Mojica先给它起了一个拗口的名字“常间回文重复序列簇集”(Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats),随后又给它找了一个好记的缩写——CRISPR

 

后续的研究发现CRISPR及其背后的一套复杂体系,其实是原核生物的一种“免疫系统”,用于对抗噬菌体等病毒的感染。具体来说,它能教会这些原核生物“识别”能带来致命后果的病毒,并将它们的基因信息储存在自己的基因组里。而在实际遇到这些危险的病毒后,这套系统就会使用一类叫做“CRISPR相关蛋白质”(缩写Cas)的酶对病毒的遗传序列发起攻击,让自己免受病毒感染。

 

法国科学家Emmanuelle Charpentier教授后来在链球菌里发现,想要让CRISPR系统起作用,不仅需要CRISPR序列和Cas蛋白,还需要另外一种叫做tracrRNA的全新RNA分子。这一发现也在2011年发布在了《自然》杂志上。为了更好地理解这一RNA分子的作用,在当年3月的一场学术会议期间,她与同样对CRISPR机制有所涉足,且在RNA研究上卓有建树的Jennifer Doudna教授,并邀请她进行学术合作,后者欣然应允。

两人的合作很快擦出了火花。仅仅是相见的一年多后,她们就阐明了CRISPR复杂系统中各个不同组成部分所扮演的角色,并在试管中重现了这一系统在细菌体内能做的事——对目标DNA进行剪切。更为重要的是,她们表明通过对这一系统进行改造,我们可以用它在指定的位点切开任何DNA分子,便于后续的基因编辑。在诺奖委员会的新闻稿中,称这一实验是“划纪元”的。这一工具在问世后,于生物医学领域得到了广泛应用。基础生物学家们拿它来研究各个基因的功能;植物学家们用它来改造作物,提高对疾病的耐受能力;医学研究人员们则已在开发一系列基于CRISPR的疗法,造福罹患遗传病、乃至癌症的病患。能修改生命蓝图的科学家们,正在为全人类带来更多的福祉。两名科学家在论文发表的8年后拿到了诺贝尔化学奖丨图片来源:The Nobel Prize in Chemistry 2020. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Fri. 24 Jun 2022. <https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/>

 

任何突破性的工作都离不开大量科学家的贡献,CRISPR也不例外。在2020年诺贝尔化学奖揭晓后,《自然》杂志的一篇文章也提醒我们,这一领域的先驱还有更多:立陶宛的Virginijus Šikšnys教授在差不多的时间发表了关于CRISPR应用的论文,表明使用Cas9的系统可以切开预先设定的DNA序列;张锋教授与George Church教授在2013年初各自发表的论文则表明这一技术能用于人类细胞,打开了应用于人体的大门;另外一些科学家则指出,开发锌指基因组编辑技术的Dana Carroll教授算是这一领域的奠基人,也应得到更多的关注……可以肯定的是,没有所有参与者的加入,CRISPR基因编辑技术势必难以得到如此迅猛的发展。

 

CRISPR未来的四个方向

CRISPR技术自问世以来,已经发生了很多轮的迭代与更新。比如其针对的对象可从DNA延申至RNA;其编辑方式从依赖DNA双链断裂后的修复机制,到不引起DNA链断裂的单碱基编辑;其应用也从简单的基因编辑,扩展到了疾病检测等领域。日前,CRISPR技术先驱之一Doudna教授在一场会议上分享了她对CRISPR技术的未来展望,指出有四大场景值得期待。首先,CRISPR将带来治疗许多疾病的疗法。“我不想说所有疾病,但可以确定的是,这个技术能为许多疾病带来影响,不仅仅是罕见疾病。”她说道。之所以这么说,是因为围绕CRISPR,已经有了许多创新。图片来源:© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

 

创新之一在于科学家们已经发现了越来越多类型的Cas蛋白,比如最初研究人员们主要关注Cas9,而现在多种Cas酶正不断涌现,包括靶向RNA,可以用于疾病诊断的Cas13;能大段删除DNA,堪称DNA碎纸机的Cas3;以及体积更小,更有希望在临床上完成递送的CasX。

创新之二在于大量科学家正通过生物工程技术,不断优化这些蛋白、乃至整个CRISPR 系统的功能——通过碱基编辑,我们如今能对单个核苷酸进行精准的修改;通过“激活”或是“沉默”基因,我们无需改变基因组,就能短暂调控基因的表达;而当CRISPR技术结合表观遗传学,更是可以在指定的基因启动子片段进行甲基化或是去甲基化的修饰,长久地关闭或是开启基因的表达。

如今,已有不少生物技术公司正在开发这些技术,推进其走进临床。当然,要发挥这些技术的潜力,还有不少问题需要解决,譬如如何将CRISPR基因编辑工具精准地递送到想要的细胞中去。CRISPR的第二个未来场景在于带来“现货型”的细胞和基因疗法。

Doudna教授指出,细胞和基因疗法带来了高度个体化的治疗方案,而生物医药领域期待此类疗法能变得更为大众化——“如果不能应用于所有不同的人,那至少也在广泛的不同的人里有着应用。”而要实现这一目的,则必须对基因改造细胞的生产流程进行标准化。

这个过程中,CRISPR基因组编辑技术无疑将成为重要的工具。第三个未来场景是使用CRISPR技术进行诊断与新药发现,这体现的是CRISPR技术的多样性。Doudna教授提到,目前FDA已经为一些基于CRISPR的诊断技术授予了紧急使用授权。而作为一种可编程的技术,只要经过简单的调整,它就有望应用于检测来自各种病原体的各种DNA或是RNA分子。而在新药发现方面,CRISPR的简便性使其能用于大规模的自动化筛选,找到在健康生理过程,或是致病生理过程中的关键基因,促进研究人员们找到新的靶点。这一技术还能与人工智能进行很好的结合,让机器去分析CRISPR筛选所产生的大量数据集。“我认为CRISPR与人工智能的结合已经蓄势待发,将要变革新药发现。” 

Doudna教授展望道。最后一个场景,则是让CRISPR技术成为疾病预防的工具,让疾病在发生前就消弭于无形。比如我们已经知道在阿尔茨海默病或是心血管疾病中,一些基因的存在会让个体发病的风险更高,另一些基因则会降低疾病的风险。如果CRISPR能用于改造这些基因,让我们人人都自带“基因保护伞”呢?这样的未来令人振奋。
 

结 语

在今年6月出版的《CRISPR期刊》里,杂志主编,研究CRISPR的知名学者Rodolphe Barrangou教授撰写了一篇评论文章,庆贺CRISPR论文发表十周年这一重要时刻。他在文中提到,几代科学家们花了几十年才解码了人类基因组,但CRISPR基因编辑技术从诞生到证实可应用于人类细胞,只过了短短几个月。几年后,这一技术已然能用于人类疾病的治疗,且取得了可喜的结果。

医学之外,它还有望用于农业,带来更为可持续的粮食供应。同时他也指出,CRISPR技术的横空出世并没有让所有人都做好准备。在仓促之中,研究基因组编辑的科学家们需要同时考虑技术背后的伦理,也需要为技术划定出使用的边界。我们需要拥抱新技术,也需要在这一过程中确保透明与公平。相信在集体的智慧下,科学家们能解决CRISPR技术当下的挑战,并抓牢未来的机遇,共同开启属于基因组编辑的下一个十年。

 

参考资料

[1] Martin Jinek et al., (2012), A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science, DOI: 10.1126/science.1225829[2] Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2020, Retrieved June 24, 2022, from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/press-release/[3] Jennifer Doudna | Four ways that CRISPR will revolutionize healthcare, Retrieved June 24, 2022, from https://www.youtube.com/watch?v=wrrHc_avAxY[4] Rodolphe Barrangou (2022), Celebrating a Decade of CRISPR-Fueled Genome Editing, The CRISPR Journal, DOI: https://doi.org/10.1089/crispr.2022.29150.rba[5] Pioneers of revolutionary CRISPR gene editing win chemistry Nobel, Retrieved June 24, 2022, from https://www.nature.com/articles/d41586-020-02765-9
 

本文经授权转载自微信公众号“药明康德”。

 



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