CRISPR / Cas9终于等到诺贝尔奖！基因产业开启破冰之行！

2020年10月7日，诺贝尔化学奖揭晓，法国生物化学家Emmanuelle Charpentier、美国生物学家Jennifer Doudna因对新一代基因编辑技术CRISPR的贡献，摘得今年的奖项。CRISPR是生物学和医学领域最具代表性的革命之一，CRISPR/Cas9将在此基础上增加治疗传染病、癌症、遗传疾病的可能性与可行性。

图：2020诺贝尔化学奖得主（来源：量子位）

解锁人类生命密码任务交给“基因魔剪”！

新冠病毒全球大流行改变了世界的打开方式，拥有百年历史的诺贝尔奖也在疫情下不复往日觥筹交错，首次不举行传统的诺贝尔奖颁奖典礼，颁奖仪式改为线上举办。

10月7日，瑞典皇家科学院已决定将2020年诺贝尔化学奖授予德国马克斯·普朗克病原学研究所的Emmanuelle Charpentier博士以及美国加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna博士。

这两位女性科学家开发了目前基因技术中最锐利的工具之一：CRISPR/Cas9“基因魔剪”，利用该技术研究人员可以非常精确的改变动物、植物和微生物的DNA，帮助研究者开发新的临床癌症疗法，并为原本无解的遗传疾病提供了可靠的治愈可能。

图：CRISPR技术 （来源：网络）

CRISPR是成簇规律间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）的缩写。它是微生物体内的一种天然的“免疫系统”， 当病毒入侵细菌时，细菌能够捕捉到外来遗传物质的片段并且将它们整合到自身基因组的CRISPR序列中，随后通过Cas核酸酶精准切断病毒DNA，抵御病毒入侵。理论上人们可以通过这一系统精准编辑任何生物的遗传密码，因此CRISPR又被称为“基因魔剪”。

相比将额外正常基因引进细胞的传统基因编辑技术来说，CRISPR-Cas9的不同之处在于透过移除或纠正有问题的DNA（脱氧核糖核酸），恢复正常的基因功能，原位「修复」遗传缺陷。

举例来说，CRISPR Cas9技术类似于一个琴谱，在钢琴家弹奏钢琴时，他需要琴谱作为对照，琴谱走到哪里钢琴家就弹到哪里。CRISPR Cas9技术在基因编辑中具有“指哪打哪”、“可敲可编”、高效、成本低的特点，大大降低了修改基因尤其是动物基因的成本与技术门槛。

同时CRISPR技术具有广泛应用前景的基因编辑技术，用于治疗多种遗传病和开发抗旱农作物等，而使用CRISPR-Cas9治疗癌症、血液病和眼疾的临床试验亦正在进行。

图：CRISPR基因编辑技术使用的Cas9酶（来源：美国国家卫生研究院NIH）

在这里值得一提的是，华裔科学家张锋教授也是此次诺贝尔化学奖的最热门候选人，他最著名的工作是基因修饰技术CRISPR-Cas9的发展和应用，率先获得了美国专利，并成为首个将 CRISPR 运用到真核细胞中的组织。不过，虽说此次张锋教授错失本届诺贝尔化学奖，但他仍是推动CRISPR-Cas9技术产生巨大社会影响力的核心先驱之一。

CRISPR-Cas9技术成癌症病人最后的希望？

相信各位读者朋友都有所耳闻，人类患癌症的罪魁祸首是基因突变，也就是DNA序列发生改变，导至基因不能正常运作。这些DNA的突变有的来自于生殖细胞中发生的遗传性突变。有的则来自生命中某个时间、某个细胞中发生的体细胞突变。其中，体细胞突变比遗传突变更普遍，而癌症的发生大多与体细胞的突变密切相关。

CRISPR-Cas9技术或为治愈癌症造了一个“现实的梦”。

基因编辑的功能是把突变的基因进行修复，CRISPR Cas9系统就是修复的工具。CRISPR- Cas9作为一种新兴的基因编辑技术，通过定向敲除肿瘤免疫检查点分子或者通过快速简便的基因编辑，广泛应用于肿瘤治疗领域，显着降低了肿瘤免疫治疗的操作难度，促进了肿瘤免疫治疗研究的发展，为癌症的治疗与治愈提供了“罕见的”可能。

2020年4月22日， Science Translational Medicine杂志上一项研究中：研究人员从患有罕见的遗传性胰岛素依赖型糖尿病的患者的皮肤中采集细胞，生成诱导多能干细胞，进而转化为产生胰岛素的细胞，之后通过基因编辑工具CRISPR-Cas9，校正导至该综合征的遗传缺陷，结果证明将细胞植入实验室小鼠后，逆转了糖尿病。发现表明，CRISPR-Cas9技术有望用于治疗糖尿病，尤其是由单一基因突变引起的糖尿病形式，未来也有可能用于治疗一些较常见糖尿病患者，例如1型和2型。

文章作者华盛顿大学医学与生物医学工程学助理教授Jeffrey R.Millman博士说：“这是CRISPR被首次用于修复导至患者糖尿病的遗传缺陷，并成功逆转糖尿病。

2019年，中国科学家邓宏魁利用CRISPR-Cas9完成了世界首例基于基因编辑干细胞治疗艾滋病和白血病的案例。

2019年9月，来自北京大学-清华大学生命科学联合中心的邓宏魁等人，在顶级医学期刊《新英格兰医学杂志》（The New England Journal of Medicine）上发表的新研究：

利用CRISPR/Cas9技术，科学家对人造血干细胞进行基因编辑，基因编辑后的干细胞在动物模型中可长期稳定重建造血系统，并且其产生的外周血细胞具有抵御艾滋和白血病能力。

CRISPR / Cas9基因编辑技术的多种相关功能已经在基因治疗研究中展现出巨大的潜力。通过在目标DNA上实现双链断裂，CRISPR / Cas9基因编辑系统可以通过介导NHRJ或HDR作用，产生不同类型的基因插入，剪切或敲除，从而实现对目标基因组序列的定向或非定向改变。该过程为利用CRISPR / Cas9技术修复特定基因缺陷的基因治疗研究创造了机会。

北京大学生命科学院教授魏文胜利用CRISPR-Cas9技术开展高通量基因筛选研究，CRISPR-Cas9技术能快速、简便、准确地实现基因组敲除等编辑功能，因而成为一种强大的遗传筛选工具；在各种细胞系、人、小鼠及斑马鱼等多种模式生物，大规模运用该方法筛选功能基因已经取得巨大成功。

目前，基因编辑的商业化应用主要是通过对特定的缺陷基因进行编辑和修改，解决因基因导至的遗传性疾病，或者提高某种疾病的免疫力，其产业创造的市值主要来自细胞系的改造，以及基因工程、基因诊断和治疗、基因编辑动植物等应用。

图：中国前十大CRISPR技术机构（来源：小桔灯网产业研究院）

CRISPR-Cas9在不同癌症基因治疗领域的功能

• 在CAR-T疗法中的作用：CAR-T疗法是肿瘤免疫治疗领域的热点领域，是唯一获得上市批准的细胞免疫疗法。CRISPR基因编辑技术能明显提高CAR-T细胞的制备效率，其对一个正常的免疫T细胞进行基因改造，在引入CAR序列时去除T细胞内源性αβT细胞受体基因和人白细胞抗原 I（HLA I）类编码基因，以防止用于不同患者时产生抗宿主反应。

  
  

  NIH（美国国立卫生研究院）下属Recombinant DNA Advisory Committee批准的由Carl June教授领导的一项CRISPR临床试验。在该试验中，研究人员将利用CRISPR-Cas9在靶向黑色素瘤的CAR-T中敲除编码PD-1的基因以及内源性T细胞受体的基因，敲除PD-1之后，CAR-T的杀伤性更强。
  

  
  

• 在免疫检查点中的作用：PD-1和CTLA-4是十分熟知的免疫检查点，它们能抑制t细胞的活性，使肿瘤细胞易于逃逸。CRISPAR-Cas9导入T细胞并敲除PD-1基因，使其表达减少，使T细胞更好地发挥抗肿瘤疗效。

  
  

• 在抗体靶向疗法中的作用：CRISPR-Cas9 基因编辑技术可以用来鉴定肿瘤细胞表面的潜在特异性靶点，进一步发展抗体的靶向治疗应用。
  

不过，目前CRISPR / Cas9技术仍存在一些亟待解决的问题，包括需要开发出更优的基因传递系统用于CRISPR / Cas9系统的体内递送；发掘AAV和新型非病毒基因载体的应用方面还需要一定的时间研究；提高了HDR介导的基因恢复的效率，但减少了NHEJ导至的非目标突变；最后则是行业内非常关注的CRISPR / Cas9系统的脱靶问题。

写在最后

目前，科学共同体对基因编辑技术的相关应用达成基本共识，即现阶段严格禁止人类生殖系基因编辑的临床应用，同时鼓励基因编辑的基础研究和在成体细胞层面的基因治疗。

在国家卫健委“重大新药创制”国家科技重大专项2018年年度课题立项计划中，明确支持细胞与基因治疗药物等创新生物技术药评价及标准化研究。2019年5月，细胞和基因治疗产品与人工智能医疗器械、中药安全评价研究等一起成为NMPA的药品监管科学行动计划的首批立项项目。无疑，从政策层面加快推广了基因编辑的临床应用脚步。

未来，随着医学界、科技界、监管界对CRISPR Cas9系统的认识加深，CRISPR/Cas9以及其衍生技术或将为医学界与整个科技界带来颠覆级别的变革。