改寫微生物密碼的“分子剪刀”

王治鈞 宋添力

基因，儲(chǔ)存著生命誕生、成長、繁衍、凋亡的全部遺傳信息。2020年，2位科學(xué)家因在基因編輯技術(shù)上的發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這項(xiàng)技術(shù)就是CRISPR-Cas基因編輯技術(shù)。本期TED邀請(qǐng)到了2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)其中一位獲得者——美國分子生物化學(xué)專家珍妮弗·道德納（Jennifer A.Doudna），分享近年來該項(xiàng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的新突破。

分子生物化學(xué)專家珍妮弗·道德納

探求基因密碼

人類的基因序列是漫長歷史長河演化中的最優(yōu)選擇，這也意味著，基因發(fā)生任何微小的改變（突變），都有可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生。一直以來，單/多基因疾病在臨床上缺乏行之有效的治療方案，理論上，從基因?qū)用嫘迯?fù)突變的基因是解決人類遺傳疾病的最佳方案。

那么，我們能改變基因嗎？其實(shí)科研人員一直在努力?；蚓庉嫾夹g(shù)的原理是類似的，即對(duì)照著目標(biāo)DNA進(jìn)行基因編碼，然后讓編碼后的基因帶著被改造的核酸酶前去“切斷”目標(biāo)DNA。第一代基因編輯技術(shù)出現(xiàn)于1996年，為ZFNs（鋅指核酸酶）技術(shù)；2011年，科研人員發(fā)明了第二代基因編輯技術(shù)，TALENs（轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物）技術(shù)。但這兩種技術(shù)都存在局限，于是，真正成熟、快捷、高效率的第三代基因編輯技術(shù)出現(xiàn)了——CRISPR-Cas技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱CRISPR技術(shù)）。

CRISPR 技術(shù)示意圖

核酸酶正在切斷DNA序列（示意圖）

看不見的剪刀

CRISPR，是一類存在于大部分細(xì)菌和古菌基因組中的DNA序列家族。當(dāng)有噬菌體或病毒攻擊菌體時(shí)，這段序列會(huì)將“敵人”的DNA片段記錄下來，待到菌體再次受到類似攻擊時(shí)，序列中儲(chǔ)存的DNA片段會(huì)成為模板，幫助細(xì)菌合成相應(yīng)的RNA，摧毀攻擊者。

科研人員以此為靈感，開發(fā)出CRISPR技術(shù)，它就像一把分子剪刀，可以準(zhǔn)確地識(shí)別、剪切噬菌體或病毒的DNA。根據(jù)想要切割的DNA設(shè)計(jì)RNA，讓這串RNA成為“地址”，指引著可以切斷核酸分子的核酸酶“找上門”，“插入”“修改”或“刪除”DNA，就像在文檔中查找、剪切、粘貼文本一樣。

目前，CRISPR技術(shù)已被廣泛使用，用來沉默目標(biāo)基因的表達(dá)?；贑RISPR技術(shù)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，極大地推動(dòng)了醫(yī)療科技進(jìn)步；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，科研人員基于該技術(shù)培育出抗蟲、抗旱能力更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)作物新品種；也有報(bào)道稱，該技術(shù)可用來治療包括鐮刀型細(xì)胞貧血?。ㄅR床表現(xiàn)包括慢性溶血性貧血）在內(nèi)的多種基因疾病，但想要將該技術(shù)應(yīng)用到臨床，依然存在一系列技術(shù)和倫理問題。

現(xiàn)在，科研人員決定用它精確編輯微生物群。

剪開微生物群的秘密

微生物，指肉眼看不見或看不清的、具有獨(dú)特生命特征和功能的微小生命體，包括病毒、細(xì)菌、古菌、真菌、單細(xì)胞藻類以及原生生物等。它們通常為微米級(jí)或納米級(jí)，據(jù)推測(cè)，其個(gè)體總數(shù)量占地球生物圈的90%以上。

人類與微生物群之間的關(guān)系至關(guān)重要，健康的微生物群有助于預(yù)防疾病，失調(diào)的微生物群則可能導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生。

CRISPR 技術(shù)在精準(zhǔn)編輯微生物群方面的應(yīng)用（示意圖）

微生物的行為并不完全獨(dú)立，而是個(gè)體與群體相互作用的結(jié)果，但由于微生物群的復(fù)雜性，科研人員通常以單個(gè)微生物為研究對(duì)象?，F(xiàn)在，人類擁有了一把“剪刀”，在宏基因組測(cè)序技術(shù)的幫助下，科研人員不僅可以分析微生物群的種群結(jié)構(gòu)，還能進(jìn)一步分析其功能和相互協(xié)作關(guān)系，從而精準(zhǔn)定位想要編輯的基因和種群，使用CRISPR技術(shù)解決更多的科學(xué)問題。

小世界的大合作

存在于牲畜腸道內(nèi)的特定微生物群在代謝中不斷生成甲烷，從工業(yè)時(shí)代開始，規(guī)模化的大型牲畜養(yǎng)殖就成了重要的溫室氣體排放源?，F(xiàn)在，通過CRISPR技術(shù)，科研人員可以在牲畜出生時(shí)就對(duì)其腸道內(nèi)部的微生物群進(jìn)行編輯，降低產(chǎn)甲烷微生物的微生物群種類和數(shù)量，以減少溫室氣體排放。不僅如此，還能通過類似原理編輯垃圾填埋場(chǎng)和廢水中的微生物群，進(jìn)而保護(hù)氣候與環(huán)境。

不同微生物及其群落

基于CRISPR技術(shù)的微生物群編輯在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣有應(yīng)用。哮喘是一種由多種細(xì)胞參與的反應(yīng)性疾病，發(fā)作時(shí)會(huì)引發(fā)支氣管痙攣和肺通氣障礙，且常見于兒童中?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，哮喘可能與人體腸道內(nèi)微生物群產(chǎn)生的一些特定分子有關(guān)，而CRISPR技術(shù)可以通過無創(chuàng)手術(shù)的方式阻止這些分子的產(chǎn)生。這項(xiàng)技術(shù)還可以幫助人類治療或預(yù)防與微生物群相關(guān)的其他健康問題，如過度肥胖、糖尿病、阿爾茨海默病等。

CRISPR技術(shù)雖操作于微小，卻潛力無窮。它正與微生物世界緊密合作，為人類開拓更加美好、更加健康的未來。

（責(zé)任編輯 / 牛一名 美術(shù)編輯 / 周游）