出品：科普中国
制作：基因组所多米诺基因科普协会 管晓楠
监制：中国科学院计算机网络信息中心
我要买瘦肉
“老板，这块猪肉太肥了，还有没有瘦点的？”这样的对话大概可以永远消失在菜市场了。
23日，中国科学家宣布，他们通过新一代基因编辑工具CRISPR，向猪细胞内插入一种叫解偶联蛋白1（UCP1）的基因，减少脂肪沉积，增加瘦肉率，培育出一批健康的瘦肉猪，比正常猪脂肪少24％。
俗话说民以食为天，科学家和创业者们一直对“吃”充满热情，那么此次的瘦肉猪是怎样培育出来的呢？这就要依靠CRISPR／Cas9技术解决了。
CRISPR／Cas9技术
CRISPR/Cas9技术
CRISPR／Cas系统的工作原理
那么，这么厉害的技术，是如何操作的呢？
在细菌的基因组上，存在着串联间隔排列的“重复序列”，这些重复序列相对保守，我们称之为CRISPR序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats－成簇的规律间隔的短回文重复序列）。
1、“记录”入侵者档案
其中的“间隔序列”来源于病毒或外源质粒的一小段DNA，是细菌对这些外来入侵者的“记录”。
CRISPR序列示意图，其中，菱形框表示高度可变的间隔序列，正方形表示相对保守的重复序列
病毒或外源质粒上，存在“原间隔序列”，“间隔序列”正是与它们互相对应。“原间隔序列”的选取并不是随机的，这些原间隔序列的两端向外延伸的几个碱基往往都很保守，我们称为PAM（Protospacer adjacent motifs－原间隔序列临近基序）。
当病毒或外源质粒DNA首次入侵到细菌体内时，细菌会对外源DNA潜在的PAM序列进行扫描识别，将临近PAM的序列作为候选的“原间隔序列”，将其整合到细菌基因组上CRISPR序列中的两个“重复序列”之间。这就是“间隔序列”产生的过程。
2、打击二次入侵者
当外源质粒或病毒再次入侵宿主菌时，会诱导CRISPR序列的表达。同时，在CRISPR序列附近还有一组保守的蛋白编码基因，称为Cas基因。
CRISPR序列的转录产物CRISPR RNA和Cas基因的表达产物等一起合作，通过对PAM序列的识别，以及“间隔序列”与外源DNA的碱基互补配对，来找到外源DNA上的靶序列，并对其切割，降解外源DNA。这也就实现了对病毒或外源质粒再次入侵的免疫应答。
CRISPR/Cas9技术工作示意图
正是基于细菌的这种后天免疫防御机制，CRISPR／Cas9技术应运而生，从而科学家们利用RNA引导Cas9核酸酶实现对多种细胞基因组的特定位点进行修饰。
CRISPR／Cas9技术的应用：基因敲除
以基因敲除为例，在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA（向导RNA1，向导RNA2），将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中，向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列，Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。
对于DNA双链的断裂这一生物事件，生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制，会将断裂上下游两端的序列连接起来，从而实现了细胞中目标基因的敲除。
CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理图
而DNA片断的插入或定点突变的实现，只需在此基础上为细胞提供一个修复的模板质粒，这样细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变，对受精卵细胞进行基因编辑，并将其导入代孕母体中，可以实现基因编辑动物模型的构建。
CRISPR/Cas9技术插入新基因原理图
当然，CRISPR／Cas9技术的成功率并非百分之百。向导RNA靶向序列的非特异性，以及DNA损伤修复的不确定性，都可能会导致基因组上其它位置产生未知的突变，也就是所谓的“脱靶”现象，这也是现阶段影响CRISPR／Cas9技术应用的瓶颈之一。
但随着科研人员不断对Cas9蛋白的优化改造，对靶基因识别特异性的增强， CRISPR／Cas9技术的“打靶”效率将不断提高。
CRISPR／Cas9技术的前景
CRISPR／Cas9技术在医疗健康、生产生活、家畜育种等领域的应用不断取得喜人的新成果－－
CRISPR/Cas9技术前景广阔
医疗健康领域，使用CRISPR技术根除HIV病毒、诱导宫颈癌细胞自我毁灭、构建癌症模型等最新成果先后被Nature等著名杂志所报道；
在奶制品的发酵中，利用CRISPR／Cas9增强发酵菌株对噬菌体的防御能力；
在家畜育种方面，也正在利用基因编辑工具通过对显著影响家畜生产性能的基因位点进行改良，以实现猪、牛、羊等大型家畜生产性能的提高等。
但正如科学是把双刃剑，任何新技术的出现都少不了其反对者的存在，在CRISPR／Cas9技术得到热烈呼声的同时，不少人也对它提出了质疑，特别是对其脱靶事件可能导致基因组其他位置产生未知突变表示担忧。
不过，正如所有的黎明前都是令人心慌的黑暗，CRISPR／Cas9技术纵使有诸多不确定，却还是在我们的努力下迎来了胜利的曙光。
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