<p>CRISPR-Cas系统是原核生物的一种天然免疫系统。某些细菌在遭到病毒入侵后，能够把病毒基因的一小段存储到自身的 DNA 里一个称为 CRISPR 的存储空间。当再次遇到病毒入侵时，细菌能够根据存写的片段识别病毒，将病毒的DNA切断而使之失效。</p><p>CRISPR（成簇的、规律间隔的短回文重复序列），就是这段等待编辑的基因序列，Cas9就是科学家选出来负责进行DNA剪切的蛋白酶。</p> <p>它有一个资料库（CRISPR），用来储存病毒的资料，也就是它们的DNA片段。其中有些重复出现的DNA片段，就相当于一块块挡板，把不同的病毒DNA隔开。</p><p> 另外，它还有一家武器工厂（Cas），负责生产各种Cas蛋白质，你可以把它们想象成不同款式的剪刀。</p> <p> CRISPR 系统包含了三个元件：tracrRNA, CRISPR RNA和 Cas9酶。</p><p>1987日本石野纯良: 在这些片段间，细菌会加入一些重复的碱基编码，例如…CGGTTT…CGGTTT…CGGTT…，其中省略号的部分代表来自病毒的DNA片段，而CGGTT就是细菌或者古细菌基因组中反复出现的神秘序列。</p> <p>为酿脓链球菌（Streptococcus pyogenes），从中发现了一种之前未知的RNA分子——tracrRNA。她的研究表明，tracrRNA是细菌的古老的免疫系统——CRISPR/Cas的一部分，它可以通过裂解病毒的DNA来瓦解病毒。</p><p><br></p> <p>在CRISPR-Cas9系统中，酶Cas9在病毒DNA靶位点上进行切割，其中这种靶位点是这样确定的：一种被称作CRISPR RNA（crRNA）的RNA分子利用它的一部分序列与另一种被称作tracrRNA的RNA分子，通过碱基配对结合在一起，形成嵌合RNA（tracrRNA/crRNA），然后，借助crRNA的另一部分序列与靶DNA位点进行碱基配对，以这种方式，这种嵌合RNA就能够引导Cas9结合到这个靶位点上并进行切割，也因此这种嵌合RNA也被称作向导RNA（guide RNA, gRNA）。</p> <p>2011年，Emmanuelle Charpentier将CRISPR-Cas9系统描述成: 由两种形成RNA双链的RNA分子——tracrRNA和pre-crRNA，其中tracrRNA 对crRNA前体进行加工，让后者变成由成熟的crRNA和蛋白Cas9（之前被称作Csn1）组成。</p><p> 首先Cas9需要结合到病毒DNA上，并打开DNA的双链使crRNA能与DNA的一条单链进行碱基配对，配对成功则会诱导Cas9的两个核酸酶功能模块同时剪切两条DNA单链，使DNA断裂。随着crRNA的变换，该系统几乎可以剪切所有能够与crRNA配对的病毒DNA序列。</p> <p> 人类从此开始挥舞上帝的手术刀，修改自身的遗传信息，对抗亿万年进化留给自己的病痛折磨。”浙大王立铭《基因编辑简史：上帝的手术刀》。这一研究: 个人一小步，人类一大步。</p> <p>开始发表文章不突出，一直不被重视，实验室惨淡经营了7年。虽然如此，她依然想要理解细菌中未知的生物化学过程。2008年 Charpentier 在于默奥建立实验室后，研究开始走上快车道。她与马普感染生物学研究所的分子微生物学家 Jörg Vogel 合作，利用下一代测序技术绘制了化脓性链球菌的转录图谱，并找到了一类新型小RNA，被称作 trans-activating CRISPR RNA（tracrRNA），她与同事发现tracrRNA、CRISPR RNA（crRNA）和Cas9一起作用于入侵的噬菌体DNA，作为化脓性链球菌的一种获得性免疫机制，这项工作于2011年在 Nature 发表 [1]，可以说是找到了打开基因编辑大门的钥匙。</p> <p>瑞典皇家科学院: 2020年诺贝尔化学奖授予加州大学詹妮弗·杜德纳（ Jennifer Doudna） 和现在德国工作的法国科学家Emmanuelle Charpentier，表彰她们发明基因修饰方法CRISPR-Cas9。</p> <p>1. Deltcheva, E., et al., CRISPR RNA</p><p> maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III. Nature, 2011. 471(7340): p. 602-7. </p><p> 2. Jinek, M., et al., A programma-ble dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 2012. 337(6096): p. 816-21.</p> <p>Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna的合作，发现使用重组Cas9蛋白(来自在大肠杆菌里表达的化脓性链球菌[S. pyogenes]的基因)，和体外转录的crRNA及tracrRNA可以在体外切割纯化的DNA, 并成功编辑了大肠杆菌基因。此外, 她们证明crRNA和tracrRNA对Cas9发挥作用都是必需的, 两种RNA在被融合为单一的导向RNA(single guide RNA, sgRNA)时也可以在体外发挥作用。</p> <p>分子遗传学的三座里程碑：基因测序技术、PCR技术（聚合酶链式反应），以及CRISPR/Cas9基因编辑技术。</p> <p class="ql-block">CRISPR-Cas9系统通过将一个特定的DNA序列，引导到目标基因上，使Cas9酶能够准确地剪切这段DNA。一旦DNA被剪切，细胞的修复机制就会介入，并尝试修复这个断裂点。在修复过程中，我们可以利用一些技术手段来引导细胞使用特定的修复机制，从而实现对目标基因的修改。</p> <p>湖南科学技术出版社·原力，2020年11月出版</p>