(Cas9是動(dòng)物體內(nèi)執(zhí)行這種任務(wù)的最佳酶CRISPR-Cas9是指切割動(dòng)物和人類DNA的Cas酶的種類)http://tech.ifeng.com/a/20180223/44885418_0.shtml
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?編者按：什么是CRISPR？ 科學(xué)界為什么對(duì)于其潛在的應(yīng)用如此著迷？這種技術(shù)和古老的細(xì)菌防御系統(tǒng)有什么聯(lián)系？它又將如何影響我們周圍的世界？本文編譯自CBInsights上原標(biāo)題為What Is CRISPR?的文章。
想象一下未來(lái)，父母可以定制寶寶的樣子，選擇未出世孩子的身高和眼睛顏色。所有特質(zhì)都可以根據(jù)個(gè)人喜好定制：家養(yǎng)寵物的大小，植物的壽命等。
這聽起來(lái)像是反烏托邦科幻小說(shuō)，但其實(shí)這并不是遙不可及。
2012年，科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)CRISPR，并對(duì)CRISPR（也稱為Cas9或CRISPR-Cas9）的應(yīng)用感到驚訝。
CRISPR可能會(huì)徹底改變我們應(yīng)對(duì)一些問題的方法，如癌癥，食物短缺和器官移植。 在最近的報(bào)告中，CRISPR甚至可以被用作診斷疾病的工具。 但是，與任何新技術(shù)一樣，它也可能會(huì)導(dǎo)致意想不到的問題。
不斷變化的DNA - 生命的代碼 - 將不可避免地導(dǎo)致一系列難以預(yù)想的后果。 社會(huì)和各行業(yè)如果不了解CRISPR的基礎(chǔ)知識(shí)，就無(wú)法應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。
接下來(lái)，讓我們從其定義，應(yīng)用和局限性深入了解CRISPR。
什么是CRISPR？
CRISPR是細(xì)菌遺傳密碼及其免疫系統(tǒng)的一個(gè)定義性特征，是細(xì)菌用來(lái)保護(hù)自己免受病毒攻擊的防御系統(tǒng)。它也存在于古生物界（單細(xì)胞微生物）中的生物體中。
首字母縮寫詞“CRISPR”代表 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats。實(shí)質(zhì)上，它是一系列重復(fù)的DNA序列，并且這些DNA之間存在“spacers”。
簡(jiǎn)而言之，細(xì)菌利用這些基因序列來(lái)“記住”攻擊它們的每種病毒。
細(xì)菌會(huì)將病毒的DNA整合到自己的細(xì)菌基因組中。這種病毒DNA最終成為CRISPR序列中的“spacers ”。這種防御系統(tǒng)可以在同種病毒再次發(fā)起攻擊時(shí)給予細(xì)菌保護(hù)或免疫力。
總是位于CRISPR附近的基因，稱為Cas（CRISPR相關(guān)）基因。
一旦激活，這些基因就會(huì)產(chǎn)生特殊的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)是與CRISPR共同進(jìn)化的酶。這些Cas酶能夠充當(dāng)切割DNA的“分子剪刀”。
回顧一下：實(shí)際上，當(dāng)病毒侵入細(xì)菌時(shí)，其獨(dú)特的DNA會(huì)被整合到細(xì)菌基因組中的CRISPR序列中。這意味著下一次病毒攻擊時(shí)，細(xì)菌會(huì)記住它并發(fā)送RNA和Cas來(lái)定位和破壞病毒。
雖然細(xì)菌中還有其他Cas酶在病毒攻擊自己時(shí)會(huì)截?cái)嗖《?，但Cas9是動(dòng)物體內(nèi)執(zhí)行這種任務(wù)的最佳酶。大眾所熟知的術(shù)語(yǔ)CRISPR-Cas9是指切割動(dòng)物（和人類）DNA的Cas酶的種類。
為了更好的應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員增加了一個(gè)新的步驟：在CRISPR-Cas9切割DNA后，攜帶“固定”基因的新DNA序列可以嵌入到新的間隔中?；蛘撸懈羁梢酝瑫r(shí)“敲除”不需要的基因，例如，導(dǎo)致疾病的基因。
換個(gè)更加形象的說(shuō)法，CRISPR-Cas9類似于Word中的“查找和替換”功能：CRISPR-Cas9想要查找并更正遺傳數(shù)據(jù)（或“單詞”），用新材料替換它?；蛘?，正如CRISPR的先驅(qū)Jennifer Doudna在其A Crack In Creation: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution一書中所提到的那樣，CRISPR就像一把瑞士軍刀，我們的使用方式不同，它發(fā)揮的功能也不同。
CRISPR研究的飛速發(fā)展，已經(jīng)超越了基礎(chǔ)DNA編輯。 2017年12月，Salk研究所設(shè)計(jì)了CRISPR-Cas9系統(tǒng)的不成熟版本，能夠在沒有編輯基因組的情況下激活或關(guān)閉目標(biāo)基因。展望未來(lái)，這種技術(shù)可以解決基因編輯永久性的問題。
CRISPR如何工作？
下面是幫助CRISPR-Cas9完成其工作的三大關(guān)鍵因素：
1.向?qū)NA：定位目標(biāo)基因的一段RNA（DNA的遺傳表親）。這是在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)的。
2.CRISPR相關(guān)蛋白9（Cas9）：將不需要的DNA剪掉的“剪刀”
3.DNA：切段后插入的所需DNA片段
下面將介紹它們是如何工作的。
向?qū)NA可作為“GPS坐標(biāo)”，用于在目標(biāo)基因片段上查找想要編輯的DNA片段。 一旦定位成功，Cas9剪刀就會(huì)在DNA中產(chǎn)生雙鏈斷裂，然后插入所需的DNA片段取而代之。
這項(xiàng)技術(shù)的確會(huì)威脅到醫(yī)療。 但除此之外，它還可以改變我們吃的食物到我們用作燃料的化學(xué)品，因?yàn)檫@些也可以通過基因技術(shù)設(shè)計(jì)。
來(lái)自麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)研究所的張鋒博士用童謠描述了CRISPR：
Twinkle Twinkle Big Star → Twinkle Twinkle Little Star
在這個(gè)過程中：
1.向?qū)NA定位錯(cuò)誤或突變：?jiǎn)卧~“Big”。
2.Cas9酶切斷“Big”一詞。
3.插入正確的DNA片段，即單詞“Little”。
CRISPR的應(yīng)用
每個(gè)行業(yè)都可以利用CRISPR：它可以為人類疾病創(chuàng)造新的藥物，幫助農(nóng)民種植抗病作物，創(chuàng)造新的動(dòng)植物物種，甚至讓滅絕的物種起死回生。
動(dòng)物研究
自最初發(fā)現(xiàn)CRISPR以來(lái)，其應(yīng)用的領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。雖然還處于早期階段，但“動(dòng)物模型”（即實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物）已經(jīng)向我們展示了如何操縱CRISPR技術(shù)。
小鼠是研究CRISPR治療潛力的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。擁有超過人類90%的基因，小鼠是哺乳動(dòng)物中理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。
小鼠實(shí)驗(yàn)表明，CRISPR可以消除與假肥大性肌營(yíng)養(yǎng)不良（DMD）相關(guān)的缺陷基因，抑制神經(jīng)性舞蹈病蛋白質(zhì)的形成并消除HIV感染。
2015年，中國(guó)科學(xué)家通過去肌肉生長(zhǎng)抑制素基因基因創(chuàng)造了兩個(gè)超級(jí)肌肉小獵犬。在沒有該基因的情況下，小獵犬表現(xiàn)出“肌肉肥大”，明顯比未經(jīng)基因改造的犬更強(qiáng)壯。
其他CRISPR動(dòng)物試驗(yàn)包括將長(zhǎng)絨山羊用于高產(chǎn)羊絨和繁殖無(wú)角奶牛。
人類研究
與動(dòng)物研究相比，編輯人類DNA的CRISPR實(shí)驗(yàn)發(fā)展較緩慢，主要是由于倫理和監(jiān)管問題。
鑒于改變?nèi)祟惢蚪M的永久性，F(xiàn)DA對(duì)于CRISPR的態(tài)度是謹(jǐn)慎的。 一些科學(xué)家甚至提出應(yīng)該暫停CRISPR試驗(yàn)，直到我們獲得更多有關(guān)該技術(shù)對(duì)人類潛在影響的信息。
美國(guó)和歐洲
2018年，美國(guó)和歐洲進(jìn)行了CRISPR人體試驗(yàn)。
目前（截至2018年2月13日），賓夕法尼亞大學(xué)正在等待FDA對(duì)于一項(xiàng)研究的最終批準(zhǔn)。 該研究旨在評(píng)估應(yīng)用CRISPR治療多發(fā)性骨髓瘤，黑色素瘤和肉瘤患者的安全性。
歐洲也可能會(huì)在2018年首次進(jìn)行人體CRISPR研究。CRISPR Therapeutics的研究集中在一種稱為β-地中海貧血的血液疾病上，這種疾病會(huì)導(dǎo)致血紅蛋白的成分改變。
雖然涉及患者參與的臨床試驗(yàn)仍在等待監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，但CRISPR已經(jīng)應(yīng)用于活體和非活體人類胚胎實(shí)驗(yàn)中。
例如，2017年8月，由俄勒岡州健康和科學(xué)大學(xué)的生殖生物學(xué)家Shoukhrat Mitalipov領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組獲得了私人贊助，使用CRISPR-Cas9識(shí)別了導(dǎo)致心肌增厚的胚胎突變。突變的胚胎在實(shí)驗(yàn)室將突變率恢復(fù)到了72％（高于普通50％的遺傳率）。
一些批評(píng)人士說(shuō)，胚胎的基因編輯是不道德的，即使編輯過的胚胎不用于移植。目前這種類型的測(cè)試無(wú)法獲得聯(lián)邦資助，都是依靠私人贊助。
中國(guó)
在世界的另一邊，監(jiān)管框架也完全不同。 一些醫(yī)院倫理委員會(huì)可以在一天內(nèi)批準(zhǔn)研究，不需要征求聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。
自2015年以來(lái)，中國(guó)一直在進(jìn)行CRISPR人體試驗(yàn)以對(duì)抗各種癌癥，艾滋病毒和HPV。 中國(guó)是迄今為止唯一進(jìn)行人體試驗(yàn)的國(guó)家。
據(jù)ClinicalTrials.Gov報(bào)道，中國(guó)有10項(xiàng)正在進(jìn)行或即將開展的針對(duì)晚期癌癥的CRISPR治療試驗(yàn)，如4期胃癌和鼻咽癌。 到目前為止，據(jù)說(shuō)一些患者的腫瘤縮小了，但沒有官方消息。
雖然我們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)期副作用尚未完全了解，但CRISPR已成為中國(guó)一些已用盡所有常規(guī)治療方案的患者的最后選擇。
涉及的行業(yè)
CRISPR將會(huì)影響的行業(yè)包括醫(yī)藥，食品，農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物技術(shù)。 由于CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)非常容易建立和使用，各個(gè)領(lǐng)域的研究人員都可以利用這項(xiàng)技術(shù)。
制藥和生物技術(shù)
未來(lái)的醫(yī)學(xué)將用CRISPR編寫。
目前的藥物的研發(fā)需要花很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樾枰_保藥物的安全性，還需徹底了解藥物的副作用。 而且，目前的美國(guó)監(jiān)管政策往往導(dǎo)致研發(fā)進(jìn)程長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。
然而，應(yīng)用CRISPR的團(tuán)隊(duì)可以將定制療法更快地推向市場(chǎng)，加速了傳統(tǒng)的藥物研發(fā)過程。
Timeline of drug development. Credit: PhRMA
CRISPR更加便宜和靈活，它能快速地識(shí)別潛在的目標(biāo)基因，進(jìn)行高效的臨床前實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樗梢杂脕?lái)“敲除”不同的基因，CRISPR為研究人員提供了一種更快，更實(shí)惠地研究成千上萬(wàn)個(gè)基因的方式，方便查看哪些基因受特定疾病的影響。
當(dāng)然，隨著藥物研發(fā)過程更加簡(jiǎn)便，CRISPR提供了治療患者的新方法。
例如，單基因疾病 - 由單一基因突變引起的疾病 – 可以進(jìn)行CRISPR試驗(yàn)。這些疾病的性質(zhì)為治療提供了確切的目標(biāo)：?jiǎn)蝹€(gè)基因的突變。
基于血液的單基因疾病如β-地中海貧血或鐮狀細(xì)胞也是CRISPR治療的理想對(duì)象，因?yàn)檫@些疾病能夠在體外進(jìn)行治療（稱為離體治療）。患者的血細(xì)胞可以被取出，用CRISPR技術(shù)治療，然后放回到體內(nèi)。
糧食和農(nóng)業(yè)
早在二十世紀(jì)二十年代，酸奶公司 Danisco 就開創(chuàng)了CRISPR的早期應(yīng)用，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們使用早期版本的CRISPR來(lái)對(duì)抗牛奶和酸奶中的主要細(xì)菌（嗜熱鏈球菌），該細(xì)菌總是被病毒感染。 那時(shí)候，CRISPR技術(shù)仍不成熟。
由于氣候變化的影響，我們急需使用CRISPR保護(hù)糧食和農(nóng)產(chǎn)品免受新細(xì)菌的侵害。 例如，隨著種植區(qū)域變得越來(lái)越熱和干燥，可可的種植變得越來(lái)越難。 這種環(huán)境變化將進(jìn)一步加劇病原體造成的損害。
為了解決這個(gè)問題，加州大學(xué)伯克利分校的創(chuàng)新基因組學(xué)研究所（IGI）正在應(yīng)用CRISPR來(lái)制造抗病可可。領(lǐng)先的巧克力供應(yīng)商MARS Inc.也在支持這項(xiàng)研究。
基因編輯可以使種植更加高效。它可以緩解馬鈴薯和西紅柿等主要作物的全球糧食短缺，也可以創(chuàng)造出不受干旱和其他環(huán)境影響的作物。
監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)基因編輯作物幾乎沒有任何抵觸情緒，美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）也沒有管理這一領(lǐng)域。這主要是因?yàn)楫?dāng)CRISPR應(yīng)用于農(nóng)作物時(shí)，不會(huì)帶來(lái)任何外源DNA：CRISPR僅用于編輯作物自身的遺傳信息，選擇理想的性狀。
2016年，被改造成耐褐變的白色蘑菇成為第一個(gè)通過美國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)的CRISPR編輯的有機(jī)體。 2017年10月，農(nóng)業(yè)公司DuPont Pioneer和Broad研究所將互相合作，利用其CRISPR-Cas9知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行農(nóng)業(yè)研究。
今年1月，生物技術(shù)公司Yield10 Bioscience獲得CRISPR植物亞麻籽油（假亞麻）的批準(zhǔn)，該亞麻籽油增強(qiáng)了ω-3油，用于制造植物油和動(dòng)物飼料。
這些跡象表明，新品種的農(nóng)作物比以前想象的更快地進(jìn)入市場(chǎng)。 如果沒有美國(guó)農(nóng)業(yè)部的監(jiān)督，這些產(chǎn)品和其他食品可能會(huì)較快地投入生產(chǎn)。
這會(huì)影響我們吃的食物，因?yàn)槭澄锉痪庉嬕院螅锌赡芤詳y帶更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或可以在雜貨架上保存更長(zhǎng)時(shí)間。
另一個(gè)領(lǐng)域是生產(chǎn)更精瘦的家畜。
2017年10月，北京中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家使用CRISPR對(duì)豬肉進(jìn)行遺傳工程改造，使豬體脂肪減少了24％。
研究人員將小鼠基因插入豬細(xì)胞中，這樣豬可以更好地調(diào)節(jié)體溫。
將這種技術(shù)應(yīng)用于人類食物將是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。
工業(yè)生物技術(shù)
另一個(gè)不太明顯的領(lǐng)域是工業(yè)生物技術(shù)。 使用CRISPR重新設(shè)計(jì)微生物，研究人員可以創(chuàng)建新材料。
這與整個(gè)社會(huì)有什么關(guān)系？
從工業(yè)角度來(lái)看，這對(duì)改造和創(chuàng)造新的化學(xué)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常重要。 我們可以改變微生物以增加多樣性，創(chuàng)造新的生物材料，并制造更高效的生物燃料。 從香水中的活性化學(xué)物質(zhì)到工業(yè)洗潔精中的活性化學(xué)物質(zhì)，CRISPR會(huì)對(duì)創(chuàng)造新的更高效的生物材料產(chǎn)生巨大影響。
Jennifer Doudna的第一個(gè)CRISPR創(chuàng)業(yè)公司Caribou Biosciences成立于2011年，為各行各業(yè)提供非治療性研究，是為各種行業(yè)提供CRISPR技術(shù)的主要公司之一。
局限性
CRISPR的潛在利益非常多，但是這項(xiàng)技術(shù)也有局限性。
非預(yù)期的效應(yīng)和所有未知變量都是這項(xiàng)新技術(shù)的缺點(diǎn)，而新的道德問題和爭(zhēng)議也在近期因?yàn)槿梭w試驗(yàn)而出現(xiàn)。
副作用
使用CRISPR進(jìn)行人體治療時(shí)，安全性是最大的問題。與任何新技術(shù)一樣，研究人員不確定CRISPR的整個(gè)影響范圍。
Off-target activity是主要問題。單個(gè)基因編輯可能導(dǎo)致基因組中其他地方發(fā)生意外。這可能導(dǎo)致組織異常生長(zhǎng)，導(dǎo)致癌癥。我們需要更精確，更精確的基因識(shí)別。
另一個(gè)問題是馬賽克生成的可能性。在CRISPR治療后，患者可以混合編輯和未編輯的細(xì)胞，即“馬賽克”。隨著細(xì)胞不斷分裂和復(fù)制，一些細(xì)胞可能會(huì)被修復(fù)，而其他細(xì)胞則不會(huì)被修復(fù)。
最后，免疫系統(tǒng)并發(fā)癥意味著這些干預(yù)和治療可能會(huì)引發(fā)患者免疫系統(tǒng)的不良反應(yīng)。早期的研究表明，免疫系統(tǒng)可以在達(dá)到目的之前處理Cas酶，或者會(huì)導(dǎo)致不良反應(yīng)，例如炎癥等。 （1999年，美國(guó)的一位患者死于嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，CRISPR試驗(yàn)中研究人員應(yīng)該更加的謹(jǐn)慎。）
但是，這三個(gè)限制都有解決方案。
不同的酶（“分子剪刀”）或更精確的運(yùn)載工具可以減少Off-target activity。如果對(duì)卵子或精子中的修飾干細(xì)胞（即可以變成人體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞）進(jìn)行編輯，也可以避免馬賽克。
隨著免疫系統(tǒng)發(fā)生問題，研究人員可以將不同的Cas蛋白與人類尚不免疫的更隱蔽的細(xì)菌株分離開來(lái)，以避免不必要的免疫反應(yīng)。同時(shí)，也可以進(jìn)行體外治療，科學(xué)家將患者的血液細(xì)胞拿出到體外，并在把它們放回去之前對(duì)其進(jìn)行治療，也可以繞過免疫系統(tǒng)。
生物選擇
CRISPR的一個(gè)潛在的重大限制是CRISPR-Cas9系統(tǒng)缺乏手術(shù)精確度。 Cas酶切割DNA雙螺旋的兩條鏈，這種“雙鏈斷裂”引起人們對(duì)切割精準(zhǔn)度的擔(dān)憂。
盡管目前Cas9酶是“切割”酶中最受關(guān)注的，但科學(xué)家們正在積極尋找其替代品。
其他選擇包括較小版本的Cas9，或完全不同的酶：Cpf1，因?yàn)槠淙菀走\(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)DNA位置而受歡迎。
除了使用其他Cas酶之外，用于治療基因的運(yùn)輸載體是另一種替代工具。 無(wú)害病毒可將治療基因攜帶到突變位點(diǎn)，而脂質(zhì)納米顆?？杀苊饷庖呦到y(tǒng)檢測(cè)，避免免疫反應(yīng)。 這兩種選擇都是極具潛力的研究途徑。
爭(zhēng)議
當(dāng)技術(shù)可以改變生命法則時(shí)，其影響是深遠(yuǎn)的， 它的爭(zhēng)議也是如此。下面將列出一些關(guān)于CRISPR的主要爭(zhēng)議。
設(shè)計(jì)你自己的寶寶？
如果我們知道某個(gè)基因的位置在哪里，可以利用CRISPR以多種方式操縱它。
按照這種邏輯，寵物主人可以用特定的毛色和尺寸設(shè)計(jì)他們想要的狗。更重要的是，父母還可以修改控制身高或眼睛顏色的基因來(lái)“設(shè)計(jì)”自己的孩子。如果我們能夠分離出與智力相關(guān)的基因，那孩子的智商也可以被操縱。
雖然批評(píng)人士說(shuō)這種技術(shù)只能用于治療需求，但CRISPR的快速發(fā)展似乎不會(huì)減慢，基因編輯技術(shù)的已經(jīng)被用于非治療目的手術(shù)中。
2015年，北京基因組研究所（BGI）通過去除與生長(zhǎng)有關(guān)的基因，創(chuàng)造了“微型豬”。這種豬只有30磅，這與豬100磅的正常體重相差甚遠(yuǎn)。 BGI最初想要以約1,600美元每只的價(jià)格賣出這些微型豬，并且為消費(fèi)者提供定制尺寸和顏色選擇。但該計(jì)劃最終于2017年停止。
盡管BGI使用TALENs而非CRISPR來(lái)編輯豬的基因，但CRISPR在設(shè)計(jì)未來(lái)寵物時(shí)也引發(fā)了類似的擔(dān)憂。這種設(shè)計(jì)應(yīng)用程序有可能導(dǎo)致動(dòng)物和人類進(jìn)化方向的永久性，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
讓滅絕動(dòng)物復(fù)活
最后一只長(zhǎng)毛的猛犸象出現(xiàn)在3600年前。如果我們能夠讓這些古代生物起死回生，我們應(yīng)該這么做嗎？目的是什么？無(wú)論是出于好奇還是為了有效的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)領(lǐng)域都頗具爭(zhēng)議。
簡(jiǎn)而言之，滅絕物種復(fù)活是為了讓滅絕的動(dòng)物起死回生。首先我們需要找到滅絕動(dòng)物最近的活體親屬的胚胎，并使用CRISPR-Cas9在其基因中插入已滅絕物種的DNA，這樣一只已滅絕的動(dòng)物可以再次漫游這個(gè)星球。
不同的科學(xué)團(tuán)體和組織已經(jīng)在采取這些行動(dòng)。值得注意的是，The Long Now基金會(huì)的一個(gè)名為“復(fù)興與恢復(fù)”的項(xiàng)目旨在再造已經(jīng)滅絕的動(dòng)物，如旅鴿和猛犸象。Broad 研究所的遺傳學(xué)家喬治教一直致力于實(shí)現(xiàn)這一項(xiàng)目。
Credit: Revive & Restore
猛犸象對(duì)許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)是非常具有吸引力的。編輯亞洲大象基因組并插入來(lái)自古老長(zhǎng)毛茸猛犸象組織中的基因，這或許可以是長(zhǎng)毛猛犸象復(fù)活，或者造出古代生物的雜交版本。
在這種情況下，我們也需要考慮氣候因素：一些研究人員認(rèn)為，猛犸象對(duì)遠(yuǎn)北森林的有很大影響，這可能會(huì)恢復(fù)永久凍土，并且減少排放到大氣中的碳。
滅絕物種復(fù)活的倡導(dǎo)者們也表示，人類直接導(dǎo)致許多物種滅絕，因此，我們應(yīng)該共同努力扭轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)。
批評(píng)者擔(dān)心，像這樣操縱自然可能會(huì)帶來(lái)更多的傷害而不是積極影響，可能會(huì)創(chuàng)造出威脅人類崛起或現(xiàn)在環(huán)境的物種。
遺傳中的不可逆遺傳變異
利用CRISPR進(jìn)行“生殖細(xì)胞改造”引發(fā)科學(xué)界的擔(dān)憂。
改造體細(xì)胞，如皮膚，大腦，肌肉和心臟細(xì)胞不會(huì)傳遞給后代。然而，生殖細(xì)胞改造修改的是卵子或精子細(xì)胞中的基因，因此這樣的改造將遺傳給后代。
生殖細(xì)胞改造引發(fā)了一個(gè)問題：從道德層面上，我們是否可以選擇我們想要遺傳給后代的基因？
生殖細(xì)胞改造的后果是為什么現(xiàn)在研究人員僅使用非活體的人類胚胎進(jìn)行CRISPR研究的原因之一。2017年3月，中國(guó)第一次在六個(gè)活體胚胎上進(jìn)行了CRISPR實(shí)驗(yàn)。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)顯示基因編輯的成功率比先前使用非活體胚胎的實(shí)驗(yàn)更高。
盡管圍繞這個(gè)問題存在爭(zhēng)議，但顯然，改造生殖細(xì)胞的好處是可以阻止或防止疾病表現(xiàn)為個(gè)體發(fā)育。生殖細(xì)胞療法也可以保證患者體內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞都接受治療。
即使一個(gè)成年人天生就是易得癌癥的體質(zhì)，通過CRISPR編輯生殖細(xì)胞基因，他也可以痊愈，就像從沒從未患過癌癥一樣。
生物黑客
生物黑客表示他們希望利用CRISPR將縮短之前長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)過程，但這引發(fā)了人們的討論：他們是否應(yīng)該受到監(jiān)管以及監(jiān)管的辦法。
Image: DIY Bacterial Gene Engineering CRISPR Kit, Credit: The Odin
最近由Do-It-Yourself (DIY)生物黑客發(fā)起的眾籌活動(dòng)引起了眾多關(guān)注。 生物黑客初創(chuàng)公司Odin在其網(wǎng)站上銷售DIY Bacterial CRISPR試劑盒，零售價(jià)為159美元。2017年10月，Odin的首席執(zhí)行官Josiah Zayner在于舊金山舉行的合成生物學(xué)會(huì)議上為自己注入了CRISPR改造肌肉生長(zhǎng)的基因。
目前，這種生物檢測(cè)仍然沒有相關(guān)規(guī)定，因?yàn)樗亲晕易⑸?，而不是?duì)其他人的實(shí)驗(yàn)。 但是，F(xiàn)DA確實(shí)禁止了這種以治療為目的自我注射試劑的銷售。
CRISPR的未來(lái)
CRISPR技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用基本上與生命形式本身一樣不可估量。雖然目前的研究主要針對(duì)治療或食品技術(shù)，但CRISPR-Cas9技術(shù)還有一些不為人熟知但非常實(shí)際的應(yīng)用。
異種移植
異種移植是將另一種動(dòng)物的細(xì)胞，組織或器官移植到人類接受者體中的行為。
由于對(duì)器官移植的需求量很高，但供應(yīng)量無(wú)法滿足需求，因此異種移植可能為等待器官移植的病人帶來(lái)希望。
該過程大概如下所示：
1.科學(xué)家在活豬內(nèi)注射人類干細(xì)胞。
2.這些人類干細(xì)胞在該豬體內(nèi)生長(zhǎng)并分化成特定類型的細(xì)胞。
3.通過Cas9的“教導(dǎo)”，干細(xì)胞最終成長(zhǎng)為某種類型的細(xì)胞（即心臟，肝臟，胰腺等）。
2017年1月，總部位于加利福尼亞的Salk研究所宣布自己已經(jīng)制造出一種由豬和人類細(xì)胞組成的嵌合體生物體，在科學(xué)界引起了很大的轟動(dòng)。
Xenotransplantation, Credit: eGenesis
科學(xué)家先前已經(jīng)在鼠的干細(xì)胞中進(jìn)行了異種移植：科學(xué)家先用CRISPR-Cas9去除在小鼠中產(chǎn)生胰腺的基因，然后將大鼠干細(xì)胞插入小鼠胚胎中。按照程序，小鼠將繼續(xù)長(zhǎng)出大鼠胰腺。
后來(lái)，研究人員在豬胚胎中插入了人體干細(xì)胞（稱為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞或iPSC）。出于安全性和有效性的考慮，該研究在4周后停止。研究人員確實(shí)注意到一些移植到這些豬胚胎的干細(xì)胞，正在變成人體組織。雖然該試驗(yàn)的成功率比起小鼠胚胎的實(shí)驗(yàn)低很多，但這仍然是一項(xiàng)科學(xué)成就。
由George Church共同創(chuàng)立的eGenesis，目前也在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，目標(biāo)是為人類在豬體內(nèi)培育人類器官。 2017年8月，科學(xué)家對(duì)豬胚胎中的60多個(gè)基因進(jìn)行了改造，目的是為了消除人體在移植時(shí)排斥的逆轉(zhuǎn)錄病毒。
如果研究人員能想出一種在活著的動(dòng)物體內(nèi)培養(yǎng)人類細(xì)胞的方法，那么他們可以創(chuàng)造出與患者百分百匹配的器官。每個(gè)患者的干細(xì)胞都可以生長(zhǎng)出由自己獨(dú)一無(wú)二的DNA構(gòu)成的器官，從而減少排斥和器官衰竭等風(fēng)險(xiǎn)。
基因驅(qū)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)化混亂
一個(gè)沒有蚊子的未來(lái)也是一個(gè)沒有瘧疾的未來(lái)，寨卡病毒，基孔肯雅病毒，登革熱 - 這個(gè)名詞不斷涌現(xiàn)。 沒有這些昆蟲傳播疾病，世界各地的生命將不會(huì)受到這些疾病的威脅。
CRISPR可以幫助我們到達(dá)這個(gè)目的。 然而從進(jìn)化的角度來(lái)講，一個(gè)好主意可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)基因有50％的機(jī)會(huì)被遺傳給后代。 但基因驅(qū)動(dòng)卻可以用來(lái)確保某種基因有更大的遺傳幾率。
如果科學(xué)家通過遺傳編輯技術(shù)改變基因驅(qū)動(dòng)，他們則可以為進(jìn)化創(chuàng)造一個(gè)加速通道。
Credit: E. OTWELL AND M. TELFER, ScienceNews.org
2016年12月，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員設(shè)想了一種消除整個(gè)攜帶瘧疾寄生蟲蚊子種群的方法。 若想實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法，可以通過使用CRISPR系統(tǒng)編輯基因并添加DNA序列，從而引起蚊子胚胎中的偏倚遺傳。 隨著這些蚊子發(fā)育并長(zhǎng)成成蟲，它們會(huì)與其他野生蚊子交配，這樣整個(gè)蚊子種群會(huì)停止攜帶瘧疾。
但在短期看來(lái)，這樣一個(gè)好辦法會(huì)破壞野生生態(tài)系統(tǒng)的自然平衡，改變自然進(jìn)化的過程。通過生態(tài)系統(tǒng)造成的多米諾骨牌效應(yīng)是無(wú)法預(yù)測(cè)的。
基因組編輯是一種大規(guī)模殺傷性武器？
2016年2月，由國(guó)家情報(bào)局局長(zhǎng)詹姆斯克拉珀編寫的《美國(guó)情報(bào)部門全球威脅評(píng)估報(bào)告》中提到，“基因組編輯”被列在潛在自然安全威脅下的“大規(guī)模毀滅和擴(kuò)散性武器”。
EcoNexus和ETC Group等遺傳監(jiān)督組織警告大眾說(shuō)，基因編輯可能會(huì)被濫用。 CRISPR可以成為生物恐怖分子的靈感來(lái)源，他們能通過設(shè)計(jì)新病原體來(lái)創(chuàng)造新一代生物武器。如果一只昆蟲能攜帶并傳遞毒素，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)被犯罪組織利用。
美國(guó)國(guó)防部的高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）已經(jīng)在為應(yīng)對(duì)這些情況做準(zhǔn)備，并正在開發(fā)解毒劑，他們也正在努力尋找能夠扭轉(zhuǎn)有害基因驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的解決方案。
專利戰(zhàn)爭(zhēng)
自從關(guān)于CRISPR及其應(yīng)用的第一篇論文于2012年出版以來(lái)，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家Jennifer Doudna和Broad Institute的張鋒一直在競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)這項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)。
2017年2月，美國(guó)專利和商標(biāo)局最終授予在美國(guó)專利商標(biāo)局授予了張鋒CRISPR-Cas9的專利權(quán)。然而，歐洲專利局（EPO）本月剛剛撤銷了Broad的一項(xiàng)專利權(quán)。
展望未來(lái)，CRISPR相關(guān)的專利權(quán)戰(zhàn)爭(zhēng)及其對(duì)該領(lǐng)域研究的影響將值得關(guān)注。隨著大量專利族的興起，未來(lái)的CRISPR專利戰(zhàn)將持續(xù)升溫。
結(jié)束語(yǔ)
基因編輯的未來(lái)在100,50甚至10年后可能發(fā)生翻天覆地的變化。
未來(lái)，在植物，動(dòng)物甚至人類中修改或設(shè)計(jì)基因可能會(huì)合法，這也將給基因庫(kù)和進(jìn)化過程造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。
雖然上面提出的一些想法在目前看來(lái)似乎很牽強(qiáng)，但這的確很有可能發(fā)生。畢竟，CRISPR不是一種昂貴和難以獲得的技術(shù)。CRISPR技術(shù)現(xiàn)在可以使用，很多人也正在使用這項(xiàng)技術(shù)。從農(nóng)民到研究人員，CRISPR將對(duì)我們的社會(huì)產(chǎn)生不可估量影響。
原文鏈接：https://www.cbinsights.com/research/what-is-crispr/
編譯組出品。編輯：郝鵬程
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