CRISPR前世今生 • 身

CRISPR是什麼

人類首次發現CRISPR序列是1987年，日本生物學家發現大腸桿菌的基因組有一個特別的規律序列。 1993年，荷蘭結核分枝桿菌的研究人員發表了兩篇關於該細菌的基因組有類似規律序列的文章。

當時這個無厘頭的發現並沒有引起很多人的重視，但研究古微生物的 Francisco Mojica 卻為此著迷。2000年，Mojica 對科學文獻進行了調查。他的一名學生使用自己設計的程序對已發表的基因組進行了搜索，找尋有類似規律序列的基因組。2001 年，Mojica 提出了首字母縮寫詞 CRISPR: 不同的DNA片段集中一起 (Clustered)、有規律 (Regularly) 間隔 (Interspaced) 相同的短 (Short) 片段、寫成回文 (Palindromic 例如: RADAR 或牙刷刷牙) 的 DNA 重複 (Repeats) ；並取名CRISPR，代表 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats。

2003年，Mojica 發表了論文，提出 CRISPR 是一種微生物免疫系統。該論文被一系列知名期刊拒絕，最終於 2005年2月在 Journal of Molecular Evolution 刊出。

後來，很多科學家在不同的細菌相繼發現同樣的規律序列 CRISPR，並追尋 CRISPR 的用途。

細菌的免疫系統

研究人員將細菌與噬菌體混合在試管中。他們發現，儘管噬菌體消滅了超過 99.9% 的細菌，但新的細菌突變體生存下來。研究人員從突變細菌中分離出基因組 DNA 後，發現 CRISPR 序列增添一個新的 DNA 間隔片段，該片段剪接在重複序列之間。這些新的間隔與該細菌現在免疫的噬菌體的 DNA 完美匹配。

當他們把這個含有噬菌體 DNA 的間隔區，從有免疫力的細菌基因組移除後，發現這些細菌就不再對同種噬菌體有免疫力。接下來，他們將含有噬菌體DNA的間隔區內容添加到細菌中，細菌獲得了免疫力。

科學家猜想細菌會破壞噬菌體DNA片段，實際上細菌如何破壞噬菌體DNA片段?

科學家在 CRISPR 旁邊找到 Cas 基因，這些 Cas 基因產生 Cas 蛋白，包括解開雙螺旋 DNA 的解旋酶和切割 DNA 的核酸酶。當細菌發覺有外來基因入侵，Cas 基因所產生的解旋酶和核酸酶將入侵的基因解開，並切割一小段作為間隔鑲嵌入 CRISPA 重複序列之間。這個 CRISPR DNA 序列就是一個細菌過去受感染的永久遺傳記錄，可以代代相傳。

細菌會把 CRISPR DNA 轉錄為 CRISPR RNA，然後再把 CRISPR RNA 分成很多個功能單元，每個單元包含一個病毒序列加上重複序列。

切割過程還需要一段的 RNA，稱為 tracrRNA (trans-activating CRISPR RNA 反式激活 CRISPR RNA)，它們一起與 Cas9 蛋白結合，形成一個監視分子。當找到有匹配序列的 DNA 後，Cas9-RNA 會固定這段匹配的 DNA 序列，解開它並切割 DNA 雙螺旋結構的每條鏈；接著斷開的病毒被切碎和破壞，從而阻止感染。

CRISPR-Cas9 基因剪刀

很多科學家研究 CRISPR 技術，希望尋找一把準確的基因剪刀，其中一對是在大西洋兩岸: 美國柏克萊大學的 Jennifer Doudna 和瑞典 Umeå University 的法裔科學家 Emmanuelle Charpentier 攜手合作研究CRISPA 技術。她們將所發現的萬能剪刀 Cas9，連接一個刀架，再加一條需要處理的基因片段作為嚮導RNA，就成為 CRISPR-Cas9 基因剪刀。2012年，她們發表研究結果；並在2020年獲得諾貝爾獎。

CRISPR-Cas9 基因剪刀是一個接近自然的方法去編輯基因。第一部份是模仿細菌的免疫系統，用20個鹼基的 RNA 作為嚮導 RNA，切斷一段 DNA 雙螺旋結構的每條鏈；第二部分是利用人體細胞自我修復的功能去修復被切斷的 DNA 。

用20個鹼基的 RNA 作為嚮導RNA，可以保證較準確地找到需要處理的基因，而不會誤中副車；而且這段20個鹼基的 RNA 可以隨意裝嵌在萬能剪刀 Cas9 和刀架上，使其成為可編程的設備。

CRISPR-Cas9 作為基因組編輯技術已發佈十年了，CRISPR 技術及其應用深刻改變了生物學研究；不僅影響了遺傳病患者和癌症病人，還影響了農業。在過去的十年中，科學家們利用 CRISPR 技術作為一種易於編程的工具來探索生物功能、剖析遺傳相互作用，並為對抗人類疾病和設計農作物的策略提供信息。

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