操控基因編輯的開(kāi)關(guān)

岑夫子

2020年，科學(xué)家首次在人體內(nèi)使用CRISPR進(jìn)行手術(shù)，以治療失明。

有一種技術(shù)可以解決生活中一些最緊迫的問(wèn)題，從疾病到營(yíng)養(yǎng)不良。它可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變幾個(gè)基因“字母”，來(lái)治療囊性纖維化和血友病等人類(lèi)遺傳病。它可以通過(guò)使雄性蚊子不育來(lái)消滅瘧疾，或者消滅破壞農(nóng)作物的害蟲(chóng)。它還可以改變其他生物以增進(jìn)產(chǎn)量或口味，讓我們能吃到更美味、更有營(yíng)養(yǎng)的食物。這就是基因編輯技術(shù)CRISPR帶給我們的美好前景。

CRISPR并非單純的人類(lèi)發(fā)明，其雛形早就存在于大自然中。它是細(xì)菌和病毒進(jìn)行斗爭(zhēng)的武器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)病毒想把自己的基因嵌入到細(xì)菌的DNA上，想搭細(xì)菌的便車(chē)為它復(fù)制基因的時(shí)候，細(xì)菌進(jìn)化出CRISPR，將外來(lái)的病毒基因切除，從而達(dá)到保護(hù)自己的目的。

CRISPR事實(shí)上是細(xì)菌基因組上的一段序列。它含有過(guò)去噬菌體（一種專(zhuān)門(mén)感染細(xì)菌的病毒）入侵時(shí)留下的DNA片段。當(dāng)這種噬菌體再次入侵時(shí)，細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生CRISPR的RNA拷貝。這些RNA拷貝隨后與一種叫做Cas的酶結(jié)合，就成了細(xì)菌的有力武器。RNA拷貝相當(dāng)于核查員，Cas相當(dāng)于一把剪刀。在細(xì)菌DNA復(fù)制的時(shí)候，“核查員”拿著“剪刀”，仔細(xì)審查細(xì)菌DNA上有無(wú)新近插進(jìn)去的與之匹配的噬菌體基因，一旦發(fā)現(xiàn)，就揮動(dòng)“剪刀”切除，讓噬菌體沒(méi)法搭細(xì)菌的便車(chē)復(fù)制、繁殖?？梢哉f(shuō)，CRISPR是細(xì)菌對(duì)過(guò)去攻擊過(guò)它的病毒的一種記憶，使它對(duì)同樣的攻擊產(chǎn)生免疫力。

這一發(fā)現(xiàn)為兩位女性生物學(xué)家贏得了2020年的諾貝爾獎(jiǎng)。她們發(fā)展了一套被稱(chēng)為CRISPR-Cas9的基因編輯工具。有了它，我們就可以對(duì)任何一段DNA序列進(jìn)行精準(zhǔn)切割，切除一個(gè)有缺陷的基因，換上一個(gè)新的。

CRISPR自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，獲得科學(xué)家的普遍青睞。在實(shí)驗(yàn)室，CRISPR-Cas9已經(jīng)多次成功地用于對(duì)細(xì)胞進(jìn)行基因編輯。然而，如何確保CRISPR只在我們感興趣的DNA片段上進(jìn)行編輯，這依然是個(gè)大難題。雖然CRISPR是相對(duì)簡(jiǎn)單的剪輯活兒，但需要假借細(xì)菌之手來(lái)完成，而且剪輯的內(nèi)容不是文字，是關(guān)乎生命的基因，這就不能不讓人擔(dān)心：剪輯出錯(cuò)了怎么辦？如果在不該剪輯的地方剪輯了呢？如何控制它，在該停的時(shí)候就停？

特別是，CRISPR這位“核查員”相當(dāng)靈活，哪怕發(fā)現(xiàn)與目標(biāo)相似但不完全相同的序列，也會(huì)下手切割。這就偏離了目標(biāo)，可能帶來(lái)有害的后果。因此，CRISPR-Cas9用于治療遺傳疾病存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，研究人員花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間，一直在尋找一個(gè)可以隨意控制CRISPR的開(kāi)關(guān)。然而，意想不到的是，他們要找的東西就在我們眼皮底下：病毒的anti-CRISPR就是控制CRISPR的最好開(kāi)關(guān)。

前面提到，CRISPR是細(xì)菌對(duì)付噬菌體的武器，然而，CRISPR并不總是有效的。2012年，美國(guó)加州大學(xué)的微生物學(xué)家約瑟·邦迪-德諾米將噬菌體與攜帶CRISPR的細(xì)菌放在一起時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管一些噬菌體被消滅了，但還是有一些噬菌體出人意料地活了下來(lái)并且成功感染了細(xì)菌。原來(lái)這些噬菌體的成功依賴(lài)于一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)可以通過(guò)粘附在CRISPR的“剪刀”——Cas上，并使其鈍化來(lái)阻止細(xì)菌的CRISPR發(fā)揮作用。因此之故，這種蛋白后來(lái)叫anti-CRISPR蛋白（簡(jiǎn)稱(chēng)Acrs蛋白）。在噬菌體DNA上，負(fù)責(zé)合成Acrs蛋白的基因，叫Acrs基因。

于是，細(xì)菌和噬菌體陷入了一場(chǎng)軍備競(jìng)賽。細(xì)菌利用CRISPR來(lái)削弱噬菌體，而噬菌體又利用anti-CRISPR來(lái)破壞細(xì)菌的防御系統(tǒng)。但這里有個(gè)問(wèn)題：為什么在同一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)中，有的噬菌體會(huì)被消滅，另一些卻能活下來(lái)并最后奪取勝利？

這是一場(chǎng)與時(shí)間賽跑的戰(zhàn)爭(zhēng)?？茖W(xué)家為我們還原了現(xiàn)場(chǎng)：一旦噬菌體將其基因注入細(xì)菌體內(nèi)，其中的Acrs基因就開(kāi)始利用細(xì)菌來(lái)制造Acrs蛋白，但這需要時(shí)間。相比之下，細(xì)菌現(xiàn)成的CRISPR也同時(shí)開(kāi)始消滅噬菌體。這就看誰(shuí)的速度更快一些了。噬菌體在自己被消滅之前會(huì)多少制造出一些Acrs蛋白，這些蛋白會(huì)部分抑制其防御系統(tǒng)。同理，下一個(gè)入侵的噬菌體也有可能在被消滅前，又制造出一些Acrs蛋白，使細(xì)菌的防御系統(tǒng)進(jìn)一步被削弱。只要這些噬菌體量足夠多，前仆后繼，最后總能將細(xì)菌徹底擊敗。這就好比下一波士兵踩著上一波士兵殺出的血路，最終攻下了敵人的陣地。

在這場(chǎng)你死我活的戰(zhàn)斗中，關(guān)鍵的是噬菌體的anti-CRISPR可以使細(xì)菌的CRISPR失效，而這恰恰是生物學(xué)家夢(mèng)寐以求的控制CRISPR的手段！

起初，邦迪-德諾米沒(méi)意識(shí)到他的發(fā)現(xiàn)的重要性。因?yàn)楫?dāng)時(shí)CRISPR也才發(fā)現(xiàn)不久，沒(méi)有人考慮如何去控制它的問(wèn)題。他繼續(xù)研究Acrs，在一系列其他噬菌體中也發(fā)現(xiàn)了Acrs基因和蛋白。

2016年，邦迪-德諾米和他的同事將CRISPR-Cas9送入人類(lèi)細(xì)胞，讓其在某個(gè)位置剪除某個(gè)基因，一定時(shí)間之后，又送入Acrs蛋白，讓其關(guān)閉CRISPR-Cas9。這個(gè)實(shí)驗(yàn)獲得成功。

隨后，研究人員干脆把編輯工具CRISPR-Cas9基因和控制開(kāi)關(guān)Acrs基因捆綁在一起使用，形成CRISPR-Cas9-Acrs。對(duì)于這個(gè)Acrs基因，實(shí)驗(yàn)人員可以先設(shè)置它的狀態(tài)為“沉默”或者“激活”，然后根據(jù)需要，在適當(dāng)條件下使其切換到另一種狀態(tài)，通過(guò)這種方式來(lái)控制Acrs。

譬如，科學(xué)家先讓Acrs基因處于“沉默”狀態(tài)，于是CRISPRCas9-Acrs行使著編輯的功能，然后通過(guò)光照，激活A(yù)crs基因，于是基因編輯就停止了。這樣，就可以控制CRISPR編輯的時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間越長(zhǎng)，出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)越大。再比如，科學(xué)家先讓Acrs基因處于“激活”狀態(tài)，設(shè)置它僅當(dāng)在肝細(xì)胞中，才切換到“沉默”狀態(tài)。這樣，他們就可以讓基因編輯限制在肝細(xì)胞中。通過(guò)控制CRISPR編輯的地點(diǎn)，也可以降低風(fēng)險(xiǎn)。

總之，anti-CRISPR是繼CRISPR之后，又一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域。掌握了anti-CRISPR這個(gè)控制手段，科學(xué)家在揮動(dòng)CRISPR這把基因編輯“剪刀”時(shí)，將會(huì)更加得心應(yīng)手。CRISPR允諾給我們的好處，也更加有保障。

進(jìn)化的軍備競(jìng)賽

正文中提到，細(xì)菌通過(guò)CRISPR來(lái)對(duì)付感染它的病毒，而病毒又反過(guò)來(lái)通過(guò)anti-CRISPR來(lái)反擊細(xì)菌，而且反擊幾乎總能成功。那么，既然如此，為什么自然選擇還會(huì)讓CRISPR繼續(xù)存在呢？

這是一個(gè)進(jìn)化上的難題。一種可能是，在某些情況下，CRISPR仍然能有效地對(duì)抗病毒。正文中已經(jīng)提到，當(dāng)病毒數(shù)量少的時(shí)候，CRISPR可以在病毒激活它們的anti-CRISPR之前，就能將其消滅。僅當(dāng)病毒蜂擁而至，前仆后繼地進(jìn)攻時(shí)，防線才會(huì)被攻破。所以，它對(duì)于少量的病毒，還是有效的。

細(xì)菌進(jìn)化出CRISPR可能花了數(shù)千萬(wàn)年時(shí)間。我們相信，在生存的軍備競(jìng)賽中，細(xì)菌將針對(duì)病毒，繼續(xù)進(jìn)化出新的防御機(jī)制，而病毒呢，也將進(jìn)化出新的反擊方式。