基因编辑技术作为基因工程、代谢工程、医学研究等领域的重要技术，一直以来都是研究热点。通过精确修改生物体的基因组序列专业放心的股票投资，基因编辑技术可以对生物遗传信息进行精准操控，为探索生命奥秘、治疗遗传疾病、改善农业生产及推动生物产业发展提供了无限可能。
在卷帙浩繁的科学史上，有不少科学发现是“无心插柳”。2007年，Danisco的研究人员首次演示了CRISPR系统可以作为细菌的一种获得性免疫机制，防御外来遗传物质的侵入。2012年，CRISPR/Cas系统首次被证明可作为基因编辑工具。2013年，美国麻省理工学院Feng Zhang和哈佛大学George Church首次在哺乳动物细胞系中利用CRISPR/Cas9实现了基因编辑。2020年，诺贝尔化学奖被授予法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷和美国生物化学家珍妮弗·道德纳，以表彰她们对新一代基因编辑技术CRISPR的贡献。
近年来，凭借其特有的多样性、模块性、高效性和简便性等诸多的独特性优点，CRISPR/Cas系统已经在多种生物的基因定点编辑、基因组筛选、基因转录调控、基因组成像、基因诊疗、生态应用展现出了极大的应用潜力，彻底变革了基因编辑领域，掀起了一场生物技术的革命。
展开剩余87% ▉ CRISPR/Cas 系统简介CRISPR是“成簇规律间隔短回文重复序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）”的缩写，是原核生物的获得性免疫系统，用于抵御外源遗传物质（如噬菌体、病毒或质粒DNA）的入侵，且这种抗性可遗传给后代。CRISPR和CRISPR相关蛋白（CRISPR associated proteins，Cas）共同构成了CRISPR/Cas系统。
CRISPR基因座包括CRISPR序列和Cas蛋白编码序列，其中CRISPR序列由重复序列（repeat）和间隔序列（spacer）交替组成。需要注意的是：CRISPR ≠ CRISPR/Cas系统。反式激活crRNA（Trans-activating crRNA，tracrRNA）是非编码前体crRNA（CRISPRRNA）生物发生和加工成熟的关键组分，位于Cas基因以及前导序列-重复序列-间隔序列的反方向。
▲ CRISPR/Cas系统结构
▉ CRISPR/Cas 系统的分类不同类型的Cas蛋白功能不同，决定其对外源基因不同的识别与剪切机制。根据Cas效应蛋白的组成将CRISPR/Cas系统分Class Ⅰ和Class Ⅱ两类，根据其作用方式主要划分了六种类型 (Type Ⅰ~ Ⅵ)。
Class Ⅰ (Type Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ) 需要多个蛋白亚基组成复合体共同作用才能够发挥功能，而Class Ⅱ (Type Ⅱ, Ⅴ, Ⅵ) 则只需在单一Cas蛋白与相应向导RNA (guide RNA)介导下发挥针对核酸链的干扰功能。
▲ CRISPR/Cas系统分类
在天然CRISPR/Cas系统中，Class Ⅱ系统只需要一个RNA指导的Cas核酸酶就能够完成对靶点的切割。其中Cas9核酸酶成为了第一个被用于基因组编辑的Cas效应子。目前，I–VI型CRISPR/Cas系统的功能和机制研究相对深入，新发现的Ⅶ型作为一种候选CRISPR/Cas系统，其生物学功能和分子机理尚不清楚。
▉CRISPR/Cas系统的作用机理CRISPR/Cas系统发挥适应性免疫功能的过程可以分为三个阶段：
当发生病毒侵染时，CRISPR系统首先获取病毒的DNA片段，并作为新的间隔 序列添加到CRISPR结构中，此过程称为适应阶段。CRISPR结构转录出前体RNA，被Cas核酸酶切割产生成熟的CRISPR RNA分子，此过程称为CRISPR RNA生物合成阶段。干扰阶段，成熟的CRISPR RNA与病毒DNA/RNA分子发生碱基匹配，并指导Cas蛋白对其切割降解，最终实现获得性免疫。目前，CRISPR/Cas9系统是最常用和最早发现的系统，由Cas9蛋白酶组成，它与CRISPR序列结合，并以RNA导向的方式切割双链DNA。下面以CRISPR/Cas9系统为例，简要介绍其作用机理：
CRISPR/Cas9系统的原理是成熟的crRNA与反式激活crRNA（tracrRNA）配对形成单向导RNA（single guide RNA, sgRNA），从⽽引导Cas蛋白在特定的20个核苷酸靶位点处切割双链DNA，由此引发2种不同的DNA修复机制⾮同源重组和同源重组，其中非同源重组在断裂位点诱发碱基缺失或插⼊突变，因此，可针对不同靶位点设计不同sgRNA在特定的位点实现基因编辑。
▲ CRISPR/Cas系统介导的细菌免疫机制
▉CRISPR/Cas系统的应用CRISPR/Cas 系统在临床中的应用CRISPR/Cas系统作为基因编辑工具在治疗人类遗传疾病方面已经取得了重要进展，多种基因药物已投入到临床试验中。在癌症治疗领域，CRISPR/Cas系统也展现出巨大潜力。一方面是其可用于改造免疫细胞，如CAR-T细胞疗法。另一方面，该系统也可以用于癌症基因靶点的筛选和验证，帮助科研人员发现更多潜在的癌症治疗靶点，加速抗癌药物的研发进程。同时，基于CRISPR/Cas系统的诊断方法在近年来也在不断完善，展现出广阔的应用前景。这种新型诊断方法具有特异性强、灵敏度高、成本低廉、检测速度快、可进行现场诊断等优势，能快速准确地检测病原微生物,有助于及早发现病原体、制定适当的防控措施和免疫方案，从而预防传染病的暴发和流行，减少对人类健康和经济的威胁。目前，CRISPR技术在基因疗法和基因改良方面的潜力巨大，但其可能引发的伦理争议也不容忽视。例如，基因编辑技术用于胚胎、生殖细胞的修改可能会对人类遗传基因产生永久性影响，引起广泛的伦理和道德讨论。随着CRISPR技术的飞速发展，各国政府和国际组织正努力建立相应的法律和监管框架，以确保技术的安全、有效和伦理应用。CRISPR/Cas系统在植物基因编辑中的应用目前，CRISPR/Cas9介导的精确基因组编辑技术在开发植物新品种方面展示出巨大的潜力，解决了许多之前由于无法获得定点突变材料造成的难题，也已经创造了一些优良品种。与转基因品种不同，通过基因组编辑技术得到的品种不引入外源基因，具有与常规诱变品种无异的优点，因此在作物改良的生产应用上更为安全。基于CRISPR/Cas系统的植物编辑技术不仅为培育优质的环境修复植物提供了可行方案，又对改善环境具有重大意义。需要注意的是，目前尚无法做到在基因组内任一位点上高效地替换或插入任意序列，这限制了基因组编辑技术在植物基因组学研究和农作物分子设计育种中的应用。CRISPR/Cas系统在微生物基因改造中的应用人类大多数疾病都与微生物的参与密切相关。已经有科研团队利用CRISPR/Cas系统将特异基因位点整合到病原菌中，通过靶向编辑干扰病原菌生物膜的形成，最终干扰病原菌产生耐药性。虽然CRISPR技术已经广泛应用于多种微生物系统，但在某些微生物中依然难以应用。例如：Cas9蛋白对蓝细菌等具有毒性，因此CRISPR技术很难在蓝细菌中应用，虽然Cas12a可以应用于蓝细菌中，但是Cas9蛋白对细胞产生毒性而Cas12a蛋白的毒性较低的原因依然没有较好的解释。▉CRISPR/Cas系统的局限性CRISPR技术虽然被誉为基因编辑领域的革命性工具，但其应用过程中依然存在一些也面临着一些挑战和争议。这些局限性不仅影响了CRISPR技术的编辑精确性和特异性，也对编辑效率和递送系统提出了挑战。
精确性与特异性的挑战CRISPR/Cas系统在特定DNA序列上的切割能力虽然精确，但在实际操作中，仍有可能发生非特异性切割，即“脱靶效应”。这种现象可能导致非目标基因的意外编辑，进而引发细胞功能的异常甚至突变。脱靶效应的成因：主要与引导RNA（gRNA）设计有关。gRNA与DNA的互补不完全可能导致Cas9错误识别目标，从而切割错误的DNA序列。为了减少脱靶效应，研究人员已经开发出多种策略和工具，如优化gRNA设计、使用高保真Cas9变体、采用脱靶检测技术等，以提高CRISPR技术的精确性和特异性。编辑效率与递送系统的限制CRISPR技术的编辑效率受到多种因素的限制，其中递送系统的选择和优化是关键因素之一。有效、安全地将CRISPR组件递送到目标细胞中，是实现高效基因编辑的前提。递送方法：目前常用的CRISPR组件递送方法包括病毒载体递送、脂质体介导的递送和纳米粒子递送等。每种方法都有其优势和局限性，如病毒载体的递送效率高但可能引发免疫反应，而非病毒递送方法则安全性更高但递送效率较低。不同的细胞类型对CRISPR组件的接收能力不同，这也影响了编辑效率。例如，某些细胞类型对病毒载体的感受性较低，可能需要采用其他递送策略。为了克服这些局限性，研究人员正致力于开发新的递送技术和改进现有方法，目标是实现更高效、更安全的CRISPR组件递送。▉ 总结与展望作为一种革命性的基因组编辑工具，CRISPR/Cas系统在许多领域仍具有巨大的开发潜力。尽管CRISPR/Cas系统的发展面临着一些挑战和争议，但新兴技术与方法的探索从未停止。随着对CRISPR技术了解的深入，研究人员正在研发更精确和高效的基因编辑工具。这包括针对更长或更复杂DNA序列的编辑技术，以及能够在非分裂细胞中高效工作的技术。
最近，人工智能（Artificial Intelligence, AI）和深度学习技术正在被用于预测CRISPR编辑的结果，包括提高目标特异性和减少脱吧效应。随着技术的不断完善和发展，CRISPR/Cas系统将在更多领域发挥重要作用，为人类的健康和发展做出更大的贡献。
参考文献
1. 王春, 王克剑. CRISPR/Cas系统在植物基因组编辑中的研究进展. 生物工程学报, 2017, 33(10): 1712-1722.
2. 李洋, 申晓林, 孙新晓, 袁其朋, 闫亚军, 王佳. CRISPR基因编辑技术在微生物合成生物学领域的研究进展. 合成生物学[J], 2021, 2(1): 106-120.
3. 乌仁嘎, 孙瑀, 尤慧琳, 张琛佳, 李鑫, 王美婷, 于景丽, 吴路瑶, 郭妍, 希尼尼根. CRISPR/Cas技术的研究展望[J]. 微生物前沿, 2023, 12(3): 110-120.
4. Pacesa M, Pelea O, Jinek M. Past, present, and future of CRISPR genome editing technologies. Cell. 2024;187(5):1076-1100
5. 沈兴,李妍,张旭,等.基于CRISPR/Cas系统的免扩增核酸检测技术研究进展[J].华南理工大学学报(自然科学版),2025专业放心的股票投资,53(01):136-146.
发布于：江苏省