第十七讲 回文剪刀手——CRISPR基因编辑

我们先来看一幅有名的对联。

上联：客上天然居，居然天上客

下联：人过大佛寺，寺佛大过人

上联和下联顺着读和倒过来读都是一样的。

还有一幅很难对的上联，你试试看能对出来吗？

上联：上海自来水来自海上

我们再来看英文里两个有趣的句子。

A man, a plan, a canal – Panama

Madam, I'm Adam

它们倒过来念，是同样的句子。

这在文法中叫做回文，具有首尾回环的性质，正着读和倒着读，是一样的。这种例子在很多语言中都存在。再比如：2021年1月20日（1-20-2021）， 这个日期也是“回文日”。

看到这样的回文，我们的第一反应是惊奇于作者的巧思。这肯定是经过作者的再三推敲和深思熟虑。这样的回文，肯定不会随随便便天然产生的。

言归正传，让我们回归到遗传学。

1987年，日本的一位研究人员石野良纯在研究大肠杆菌的DNA序列时，发现了一段很奇妙的片段。没错，是十几到几十个碱基长度的回文！而且，并不只出现一次，而是每隔一段DNA就会反复出现。

1993年，又有研究人员在地中海富盐菌中找到了一个回文的序列。

科学家们虽然找到了这些有趣的序列，但是，无法找到它们的来源和用处。如果故事到此为止，这也只是遗传学界一个关于回文游戏的奇闻逸事，仅仅为研究生活增加一点有趣的色彩罢了。

有一位西班牙科学家莫吉卡没有放弃。他花了十几年时间，在多种细菌中都找到了不同的回文系列，并正式取名为CRISPR， 中文名：规律间隔成簇短回文重复序列。

他认为，细菌不会无缘无故在DNA中玩回文、搞回文比赛，这些回文一定有它的原因——自然界的一切现象，必然有它的原因。

回文每隔一段会重复出现，中间隔开的DNA片段叫间隔区，长短不齐，也无规律。

他到处寻找这个间隔区DNA的来源，最后发现这些间隔区的片段居然和病毒的基因很像。

这是怎么回事儿？细菌和病毒是天生的对头，细菌居然保留有病毒DNA的片段，而且还用巧思妙想的回文隔开，做了标签。

莫吉卡接下来的猜测简直是神来之笔了：会不会是细菌在和病毒斗争过程中，把病毒的DNA片段截下来，保留起来，以便下次可以识别，并能战胜病毒？这是细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器？这个回文标记，更像是细菌在“结绳记事”！

可以用上世纪80年代末的一首流行歌来描述这个场景：“为何一转眼，时光飞逝如电，看不清的岁月，抹不去的从前。就像一阵风，吹落恩恩和怨怨，也许你和我，没有谁对谁错。忘不了你的AT，忘不了你的CG，忘不了无情的剪断，更忘不了你的片段”。虽然莫吉卡在上世纪80年代研究CRISPR，但是，我打赌他不是从这首《忘不了》得到的灵感。

2003年，莫吉卡把研究发现写成论文，却被4本杂志退稿拒绝，被斥责为胡思乱想。最后，等了2年之后，才在某本学术期刊上发表。

科学家们后来在回文序列的附近，发现了和CRISPR相关的蛋白酶，称为Cas，它可以剪开DNA链。

慢慢地，回文相关的秘密被解开了。

当病毒第一次入侵时，CRISPR/Cas系统首先剪下一段病毒的DNA，作为标识病毒DNA的“通缉令”，加入到CRISPR，并用回文隔开作标记。

这段DNA并不是随便选的，而是看准了剪下去。细菌会选取特定的三个碱基序列的位置，然后一刀下去，剪一段后面的DNA。这三个碱基NGG是关键，可以说是“咽喉之处”。

当病毒第二次入侵时，CRISPR系统找到“结绳记事”的地方，翻开它收藏的回文序列，然后去找“咽喉之处”NGG，看后面有没有符合“通缉令”的片段，识别出病毒DNA。如果是病毒，就用“剪刀”把它们剪断，从而杀死病毒。

如果用通俗的话来说，这个过程就是“怪物进村”“发现怪物”“记住怪物特征”“怪物又来了”“认出你来了”“鳄鱼剪咔嚓怪物” ——千人万人之中，也不会认错你的背影。

CRISPR简直就是回文大师，用回文来做标记，与病毒作斗争。放到诗词界，这是“醉里挑灯看剑、梦回吹角连营”能文能武的豪放派。

刀，可杀人，亦可救人。

剪刀，可伤人，也可裁剪旗袍礼服。

有两位集美貌和才华于一身的科学家，让CRISPR从仅仅是细菌抵抗病毒的角色，发出更加熠熠的光彩，成为了基因编辑的利器。

她们不仅找到了一把精致锋利的剪刀——Cas9，还合成了一种非常厉害的“向导RNA”分子，可以非常精确地引导“剪刀”，“指到哪儿剪到哪儿”。只要给出任何目标的DNA片段，这把“剪刀”就可以找到需要裁剪的目标基因，甚至精准到一个碱基对！这简直就是安装了GPS的剪刀，可以“精准斩首”了——这是集剪刀与GPS一身了。

有了CRISPR-Cas9这种编辑基因的手段，研究人员可以对基因进行定点的精确编辑，裁剪和修改植物、动物的DNA序列。

2012年6月，道娜和夏蓬迪艾发表了对基因编辑系统的简要论述，在试管中实现了对DNA的精确切割。

紧接着在2013年1月，另一位科学家张锋将CRISPR/Cas9基因编辑成功地应用到了哺乳动物和人类细胞，成为首个用CRISPR/Cas9编辑哺乳动物细胞基因组的科学家。

2020年，道娜和夏蓬迪艾获得了诺贝尔化学奖。

CRISPR/Cas9最基础的应用就是基因敲除和基因敲入。

CRISPR/Cas9中的向导RNA，就是一个“带路党”，帮助找到匹配的目标DNA，然后，Cas9蛋白剪刀把DNA的上游“咔嚓”一刀、下游也“咔嚓”一刀，两刀剪断。

因为生物体自身存在着DNA损伤修复的机制，会将上下游两端断裂了的序列连接起来。这样一来，就实现了细胞中目标基因的敲除。如果用通俗的话来说，这个过程就是“带路党出发了”“找到目标”“嚓嚓两刀”“断了”“接起来了”。

如果在敲除的同时，加一个修复用的DNA“补丁”，来填补被敲掉的基因，就能完成基因敲入。如果用通俗的话来说，这个过程就是“带路党出发了”“找到目标”“嚓嚓两刀”“断了”“补上了”。

基因敲入在治疗基因疾病方面大有作为，如镰状细胞贫血病是因为血红蛋白的某一个碱基T变异成了A。只要用基因敲入把误码的A换成T就可以了。

再比如，蚊子传播疟疾一直是人类健康的挑战。实际上，当雌性蚊子叮咬时，有一种基因突变可以使得蚊子体内分泌抗体，阻止病原虫通过血液传播至人体。但是，产生这种抗体的突变基因，在繁殖的过程中被遗传的概率很低，所以，这种基因突变的蚊子不能够真正实现对疟疾的控制。

有一个研究团队利用Cas9，将抗性基因精准地敲入到生殖细胞，能够近乎百分之百地传递给下一代。如果这些蚊子被释放到野生环境中，它们独特的抗性基因将在蚊子种群中传播，从而从根源上阻止疟疾。

除此之外，CRISPR/Cas9基因编辑技术正在农业上崭露头角。抗病毒的咖啡豆，高产量的稻子，更美味的西红柿，抗旱的玉米，抗褐斑的蘑菇，不久就会出现在人们的餐桌上。

碧玉妆成一树高，万条垂下绿丝绦。 不知细叶谁裁出，二月春风似剪刀。

CRISPR/Cas9，一个按需定制的DNA定点剪切工具，它能否剪出一个基因编辑的明媚春天？

基因编辑在慢慢开始实用的时候，也带来了道德和伦理挑战：哪些基因可以编辑？哪些基因不能编辑？非自然的基因会带来什么样的后果？

人类，右手执着一把双刃剑，左手托着一个潘多拉魔盒。拥有这一双手的人，脑子是否足够清醒冷静？

拥有了基因编辑的能力，从某种程度上来说，拥有了“造物”的能力。是祸，还是福？取决于人类自己。