Cell：張鋒談CRISPR技術的應用與挑戰

      麻省理工學院的張鋒（Feng Zhang）博士是近兩年大熱的CRISPR/Cas9技術的先驅開創者之一。2013年，這位80后的年輕華人科學家開發出了可用來編輯DNA、敲除指定基因的CRISPR/Cas系統，自此之后一直致力于推動這一技術走向完美。2014年，他還與其他 4 位 CRISPR 技術先驅合作創辦了愛迪塔斯醫藥公司（Editas Medicine），旨在利用 CRISPR 基因編輯技術開發出直接更改致病基因的療法。

　　2014年年初，張鋒博士課題組與東京大學的研究人員合作，生成了CRISPR-Cas 系統的關鍵組成部分——Cas9復合體的第一張高分辨率圖像。這些研究成果，有望幫助研究人員改良及進一步操控這一工具加速基因組研究，使得這一技術更加接近應用于人類遺傳疾病治療。

　　而在最新一期（6月5日）的《細胞》（Cell）雜志上，張鋒博士發表了題為“Development and Applications of CRISPR-Cas9 for Genome Engineering”的最新綜述文章，現可供讀者在線免費閱讀（PDF）。

　　作者寫到，上世紀70年代開發出重組DNA技術標志著一個生物學新時代的開始。第一次，分子生物學家們獲得了操控DNA分子的能力，使得研究某些基因以及利用它們來開發出新型的醫學和生物技術變為可能。近年來，基因組工程學技術取得的進展引發了一場生物研究新革命。不再是在脫離基因組的背景下研究DNA，研究人員現在可以在幾乎所有選擇的生物體中直接編輯或是調控DNA序列的功能，使得他們能夠闡明系統水平上基因組的功能組織，并鑒別出因果遺傳變異。

　　廣義上講，基因組工程學就是指對基因組，它的環境（例如表觀遺傳標記），或它的輸出信號（例如轉錄本）進行靶向修飾的過程。能夠在真核生物，尤其是哺乳動物細胞中輕易及有效地做到這一點，為改變基礎科學、生物技術和醫藥帶來了極大的希望。

　　在生命科學研究中，一些可以刪除、插入和修飾細胞或生物體DNA序列的技術，使得闡析特異基因和調控元件的功能成為可能。多重編輯可進一步實現在更大的規模上調查基因或是蛋白質網絡。同樣，操控轉錄調控或是特異位點的染色質狀態可以揭示出細胞內遺傳物質的組織和利用機制，闡明基因組結構與功能之間的關系。

　　在生物技術中，精確地操控遺傳構件和調控機器還可以推動逆向操控或重建有用的生物系統，例如在工業相關的生物體中提高生物燃料生產信號通路或是構建出抗感染的作物。此外，基因組工程學正在推動新一代的藥物研發和醫藥治療。同時干擾多個基因可以模擬出作為復雜多基因疾病基礎的累加效應，促成新的藥物靶點，而基因組編輯則可以在人類基因治療的背景下直接糾正有害突變。

　　真核生物基因組包含數以億計的DNA堿基，因此難于對其進行操控。開發出借助同源重組（HR）的基因打靶技術是基因組操控取得的一個突破。通過操作具種系嵌合能力（germline competent）的干細胞，HR介導的基因打靶促進了生成敲進和敲除動物模型。然而，盡管HR介導的基因打靶可高度精確地改變遺傳序列，但目的重組事件的效率卻非常低下，給大規模應用基因打靶實驗帶來了巨大的挑戰。

　　為了克服這些挑戰，近年來開發出了一系列基于核酸酶的可編程基因組編輯技術，使得能夠靶向性地、高效地改造多種真核生物，尤其是哺乳動物物種。在當前的基因組編輯技術中，發展最快的就是一類稱作為Cas9的RNA引導核酸酶，其來自于細菌的適應性免疫系統CRISPR,借助于短RNA分子的引導Cas9可以輕易地靶向幾乎所有的基因組選擇位點。

　　在這篇綜述中，作者概述了CRISPR/Cas9作為一種平臺技術的開發狀況以及在基因組編輯方面的應用，也討論了其存在的一些挑戰，以及未來的創新之路。