基因编辑技术CRISPR的发展史和最新进展（全集）

提到CRISPR，大家耳熟能详的可能是麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所、有着“CRISPR之父”之称的张锋，也可能是加州大学伯克利分校的女神科学家Jennifer Doudna。且不论这两个机构正在如火如荼上演的CRISPR专利大战，我们能够在实验室利用CRISPR来轻松实现基因编辑还得感谢这两位杰出科学家。今天我们就来看看，CRISPR到底是怎么工作的。

CRISPR全称是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats（成簇的规律间隔的短回文重复序列），而Cas的全称是CRISPR associated（CRISPR关联），由于名字太长，后来大家都简称为CRISPR/Cas系统。CRISPR/Cas这项技术自从问世以来，已经吸引了无数欢呼和掌声，在短短两三年之内，它已经成为了生物科学领域最炙手可热的研究工具，但其实CRISPR/Cas系统早就存在自然界中了。CRISPR/Cas系统是一种原核生物的免疫防御系统，用来抵抗外来遗传物质的入侵，比如噬菌体病毒等。同时，它为细菌提供了获得性免疫（类似于哺乳动物的二次免疫），当细菌遭受病毒入侵时，会产生相应的“记忆”。当病毒二次入侵时，CRISPR系统可以识别出外源DNA，并将它们切断，沉默外源基因的表达，抵抗病毒的干扰。是不是觉得和真核生物中RNA干扰（RNAi）的原理很相似？正是由于这种精确的靶向功能，CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编辑工具。在CRISPR/Cas系统中，CRISPR/Cas9系统是研究最深入，应用最成熟的一种类别。CRISPR/Cas9是继锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代基因组定点编辑技术。

CRISPR簇是一个广泛存在于细菌和古生菌基因组中的特殊DNA重复序列家族，充当了防御外源遗传物质的“基因武器”，分布在40%的已测序细菌和90%的已测序古细菌当中。下图展示了完整的CRISPR位点（Locus）的结构。其中，CRISPR序列由众多短而保守的重复序列区（Repeats）和间隔区（Spacers）组成。Repeats含有回文序列，可以形成发卡结构。而Spacers比较特殊，它们是被细菌俘获的外源DNA序列。这就相当于细菌免疫系统的“黑名单”，当这些外源遗传物质再次入侵时，CRISPR/Cas系统就会予以精确打击。而在上游的前导区（Leader）被认为是CRISPR序列的启动子。另外，在上游还有一个多态性的家族基因Cas，该基因编码的蛋白均可与CRISPR序列区域共同发生作用。Cas基因与CRISPR序列共同进化，形成了在细菌中高度保守的CRISPR/Cas系统。目前已经发现了Cas1-Cas10等多种类型的Cas基因。

在具体的工作过程中，CRISPR序列和Cas蛋白配合，大体上分3步来执行防御功能。