七鳃鳗，一种“史前”美味，给单碱基编辑器的优化带来了希望。
- 编者按 -
毫无疑问，基因编辑是当前最为火热的一个研究领域。这篇文章解释了时下最为欢迎的基因编辑工具 CRISPR 的工作机制，并解释了单碱基编辑器的出现为何是基因编辑领域的一个突破。
而对于单碱基编辑器来说，脱氨基酶决定其安全性和适用范围。最近，仇子龙及其团队从一种比恐龙还要古老的寄生生物身上得到灵感，通过筛选多样化的胞嘧啶脱氨基酶，构建出一系列新的胞嘧啶碱基编辑器（CBEs），使其安全性和适用范围得到了优化和拓展。
撰文 | 程田林
写在前面的话：DNA与基因
要了解基因编辑，需要对DNA与基因有充分的认识。我们装修自己的房屋，需要有设计图纸，根据图纸来按部就班地完成装修。形象一点而言，DNA就是人体的设计图纸，人体怎样搭建，全靠DNA指引。绘制房屋设计图纸，最基本的便是两种线条：直线，弧线；人体的设计图纸DNA最基本的则是四种碱基：ATGC。房屋设计图纸中，通过线条的组合，我们可以描绘出书房、厨房、卧室、餐厅等等；通过碱基的组合，我们可以设计出搭建人体所需要的各种蛋白质及RNA，对应着蛋白质及RNA的碱基组合便是基因；基因描绘的，其实就是人体的“书房”、“厨房”、“卧室”、“餐厅”等等。房屋设计图纸出错，我们可以通过橡皮或是修正液加以改正。基因出了错，我们该如何改正？基因编辑工具就是负责修正基因的工具。为了改正房屋设计图纸，我们希望能有更好用的橡皮或修正液，最好能安全无痕；我们不断地开发优化基因编辑工具，当然也是希望能安全无痕的改正出错的基因。
一、CRISPR-Cas9系统的诞生
生物学研究可以看做是 “寻宝” 之旅，每名研究者都在寻找自己眼中的 “宝藏”。很多时候，预期的 “宝藏” 未能寻到，却在不经意间开启了 “藏宝洞”。CRISPR-Cas9 系统的发现就是这样的意外。
1987年，大阪大学的 Yoshizumi Ishino 及其同事正关注于大肠杆菌的iap基因，他们已经完成了该基因的测序工作。按照莫诺&雅各布的乳糖操纵子理论，基因的上下游很可能有调控元件的存在（图1A）。于是，Yoshizumi Ishino 也就顺理成章地对iap基因的上下游序列进行了测序。只是，他们没有寻找到预期的 “宝藏”——调控元件，而是发现了无法破解的密码——五段重复的DNA序列。想象一下跨栏比赛的栏杆，研究者发现了五个栏杆（重复的DNA序列），栏杆之间是长度相同但序列不同的DNA片段（图1B）。这种特征的序列是前无古人的，研究者很懵。当然，他们还是写了文章，描述了这一奇怪的发现，但没人知道这意味着什么 [1]。
图1. 乳糖操纵子基本结构及CRISPR-Cas位点的发现历程
到了二十世纪九十年代，测序技术不断进步，研究者们在微生物的基因组中不断发现类似的特征序列，当然，依旧无人知晓这些序列的秘密。2002年，乌得勒支大学的 Ruud Jansen 团队决定重新分析这类序列，看看是否能“挖宝”。
首先，这类序列有了名字，叫做 “规律成簇的间隔短回文重复”（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）。CRISPR 的名号自此而始。他们还发现，CRISPR 序列可以转录成 RNA；而且序列附近似乎总是有类似的基因相伴，于是这些基因就叫做Cas（CRISPR-associasted），Cas编码的蛋白能切割 DNA（图2）[2]。至此，CRISPR-Cas 系统成型，但它存在的意义依然是一片空白。
后来，研究者发现，CRISPR 序列跟某些噬菌体（这是一种感染细菌的病毒）基因组的部分序列很匹配。至此，细菌与噬菌体被联系在了一起。此时，进化生物学家 Eugene Koonin入场：他整合了关于 CRISPR-Cas 系统的所有碎片化信息，指出，CRISPR-Cas 系统是细菌的免疫系统，是细菌对抗病毒的武器 [3]。
进化生物学家做完预测就已经完成任务。不过听者有意。微生物学家Rodolphe Barrangou 很喜欢这个理论，就去设计实验加以验证。结果发现 Koonin 的理论竟然是对的！也就是说，被噬菌体感染后，细菌会通过 CRISPR-Cas 系统切割噬菌体的基因组以保留证据；如果细菌能侥幸存活，面对同样的噬菌体感染时，它们就能利用已有的证据消灭噬菌体以保护自己 [4]。
此时，CRISPR-Cas 系统的功能基本确定，但具体的细节依然有待研究。此时关键人物 Jennifer Doudna 与 Emmanuelle Charpentier 入场，正是她们的研究让我们明白了 CRISPR-Cas 系统抵御外敌入侵的详细机制，也让基因编辑成为了可能。具体而言，这一机制可分为三步：
第一步是Cas蛋白复合物对外敌DNA的识别，保留证据（长度为30-50bp的外敌DNA（被称作原型间隔序列））在自己的基因组（CRISPR位点）中（图2，步骤1-2）。
第二步是 CRISPR 位点的转录，最终形成两条短链的 crRNAs（CRISPR来源的RNAs）和 tracerRNA（反式作用的crRNA）。其中 crRNAs 负责携带外敌信息，这是 CRISPR-Cas 系统识别并对抗外敌入侵的基础（图2，步骤3）。
第三步是清除入侵的外敌 DNA。如果 CRISPR-Cas 系统是武器，前两步好比武器零件的制造，这一步就是武器的组装：Cas9 蛋白、crRNA 和 tracerRNA 组成整体，其中 crRNA 好比瞄准镜，精确制导，Cas9 蛋白则像一把剪刀，去剪断被锁定的外敌 DNA（图2，步骤4-5）。[5-6]
图2 CRISPR-Cas抗病毒的基本原理（来自www.scienceinschool.org）。
大家都欣喜若狂！CRISPR-Cas 系统能清除外敌 DNA，是因为 crRNA 的序列与外敌 DNA 序列匹配。如果改变瞄准镜 crRNA 的序列，使之匹配其它物种的基因组序列，岂不是指哪打哪？
经过不断的优化，指哪打哪的 CRISPR-Cas9 武器真的诞生了（图3）[7]。
