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人类细胞中的基因组是RNA（核糖核酸）编程的，而来自细菌的Cas9酶可以作为基因组工程的发动机

北京时间1月21日消息，一种简便、精确且廉价的DNA修剪技术——CRISPR-Cas9系统——正革命性地改变遗传医学的面貌。这项技术能够将经过设计的DNA片段导入人体细胞，为遗传疾病乃至艾滋病的治疗带来了前所未有的希望。与早期技术相比，CRISPR-Cas9更易操作、成本更低，并已在多个领域取得突破性进展。

来自加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究所的珍妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）和马丁·伊内克（Martin Jinek），以及瑞典于默奥大学的艾曼纽尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）共同发表了开创性研究成果。他们的工作被《自然-生物技术》杂志评为2012年回顾中的一篇“力作”。2012年6月28日，研究团队在《科学》杂志上首次描述了CRISPR-Cas9系统如何精确定位并切割细菌DNA。随后，2013年初发表在《科学快讯》上的两篇新文章证实，该技术同样适用于人体细胞。杜德纳团队关于人体细胞实验成功的研究报告，也于当年在开放获取期刊《eLife》上发表。

“修饰生物体基因组特定部分的能力，对我们进一步深入理解生物学十分必要，”杜德纳说，“然而，在动物和人体中进行这种修饰的技术都遇到了瓶颈，无论是实验研究还是临床治疗的发展。CRISPR技术将突破这种瓶颈，因为它意味着任何人都能通过这种基因组编辑和重组，将基因变化导入哺乳动物细胞，甚至其他真核生物的细胞中。”杜德纳是加州大学伯克利分校分子和细胞生物学兼化学教授，同时也是霍华德·休斯医学研究所研究员。

从实验室到临床：CRISPR的最新进展

自2013年首次在人体细胞中应用以来，CRISPR技术经历了飞速发展。2015年，中国科学家首次将CRISPR编辑的细胞用于人体临床试验（治疗肺癌）。2020年，杜德纳和卡彭蒂耶因发现CRISPR-Cas9基因编辑工具荣获诺贝尔化学奖。2023年，全球首个基于CRISPR的疗法——Casgevy（exa-cel）获英国和美国批准，用于治疗镰状细胞病和β地中海贫血，标志着基因编辑进入临床应用时代。

在艾滋病治疗领域，CRISPR技术同样展现出巨大潜力。传统的抗逆转录病毒疗法能有效抑制病毒复制，但无法清除潜伏在宿主细胞基因组中的HIV病毒库。CRISPR-Cas9可通过设计特异性向导RNA，精准切割整合的HIV前病毒DNA，从而消除潜伏病毒。近年来，多项动物和细胞研究已证明这一策略的可行性。例如，2014年，美国天普大学团队利用CRISPR成功从人源化小鼠中切除HIV基因组片段；2019年，中国研究者使用CRISPR编辑的干细胞治疗一名艾滋病合并白血病患者，虽未实现彻底治愈，但展示了初步的安全性。更为鼓舞人心的是，2023年报道的“杜塞尔多夫病人”和“纽约病人”案例表明，通过造血干细胞移植（结合CCR5Δ32突变）可治愈艾滋病，而CRISPR技术有望模拟这一自然突变，使更多患者受益。

“这无疑是一个重大突破，将会有许多人开始应用和练习这一技术，因为它更加容易实施，而且比其他技术精简百倍，”哈佛医学院遗传学教授乔治·丘奇（George Church）在发表于《科学快讯》的文章中写道。杜德纳强调：“从模糊的细菌免疫系统到一项极具潜力的技术，CRISPR将改变我们研究和操纵哺乳动物细胞，以及其他类型动植物细胞的方式。这代表了基础科学在影响人类健康的重大发现中所扮演的重要角色。”

“巡航导弹”的进化：从锌指核酸酶到CRISPR

在CRISPR出现之前，锌指核酸酶（ZFNs）和转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）被《科学》杂志评为2012年十大科学突破之一，被誉为“巡航导弹”。但它们都需要为每个新位点合成新的蛋白质，过程复杂且昂贵。相比之下，CRISPR系统仅需一个小的RNA分子即可重编程Cas9酶，成本更低、效率更高。乔治·丘奇在《科学快讯》的文章中比较了Cas9酶与TALEN的效率：在向哺乳动物细胞插入基因的过程中，前者比后者效率高5倍。Cas9酶-RNA复合物更小巧、更易于导入细胞，甚至可以同时进行数百个基因的剪切，且毒性更低。

基于细菌免疫系统的革命

CRISPR技术的起源可追溯到细菌的适应性免疫系统。细菌通过Cas9酶识别并切割入侵病毒的DNA，将病毒片段整合到自身基因组中的CRISPR序列中，从而合成RNA向导，抵御再次感染。杜德纳团队揭示了Cas9酶与双链RNA结合形成复合物，并通过RNA序列与DNA特定区域结合的分子机制。随后，科学家将系统简化为仅需一个向导RNA即可实现精准剪切。“与数十年来其他基因工程中所用的技术相比，新技术的美妙之处在于它只需要一种酶，”杜德纳说，“这种酶不需要在你想定位的每个位点上都进行改变，你只需要用不同的转录RNA对它重新编码，而这一点很容易设计并实现。”

近期的研究不断拓展CRISPR的应用边界。例如，碱基编辑技术（Base Editing）和先导编辑（Prime Editing）进一步提升了基因编辑的精准度；CRISPR在艾滋病、癌症、遗传病、眼科疾病等多个领域的临床试验正在全球开展。尽管“艾滋病治愈”的最终目标尚未完全达成，但CRISPR技术无疑是实现这一目标最具希望的路径之一。