操控基因編輯的開關

岑夫子

2020年，科學家首次在人體內使用CRISPR進行手術，以治療失明。

有一種技術可以解決生活中一些最緊迫的問題，從疾病到營養不良。它可以簡單地通過改變幾個基因“字母”，來治療囊性纖維化和血友病等人類遺傳病。它可以通過使雄性蚊子不育來消滅瘧疾，或者消滅破壞農作物的害蟲。它還可以改變其他生物以增進產量或口味，讓我們能吃到更美味、更有營養的食物。這就是基因編輯技術CRISPR帶給我們的美好前景。

CRISPR并非單純的人類發明，其雛形早就存在于大自然中。它是細菌和病毒進行斗爭的武器。簡單地說，當病毒想把自己的基因嵌入到細菌的DNA上，想搭細菌的便車為它復制基因的時候，細菌進化出CRISPR，將外來的病毒基因切除，從而達到保護自己的目的。

CRISPR事實上是細菌基因組上的一段序列。它含有過去噬菌體（一種專門感染細菌的病毒）入侵時留下的DNA片段。當這種噬菌體再次入侵時，細菌會產生CRISPR的RNA拷貝。這些RNA拷貝隨后與一種叫做Cas的酶結合，就成了細菌的有力武器。RNA拷貝相當于核查員，Cas相當于一把剪刀。在細菌DNA復制的時候，“核查員”拿著“剪刀”，仔細審查細菌DNA上有無新近插進去的與之匹配的噬菌體基因，一旦發現，就揮動“剪刀”切除，讓噬菌體沒法搭細菌的便車復制、繁殖。可以說，CRISPR是細菌對過去攻擊過它的病毒的一種記憶，使它對同樣的攻擊產生免疫力。

這一發現為兩位女性生物學家贏得了2020年的諾貝爾獎。她們發展了一套被稱為CRISPR-Cas9的基因編輯工具。有了它，我們就可以對任何一段DNA序列進行精準切割，切除一個有缺陷的基因，換上一個新的。

CRISPR自發現以來，獲得科學家的普遍青睞。在實驗室，CRISPR-Cas9已經多次成功地用于對細胞進行基因編輯。然而，如何確保CRISPR只在我們感興趣的DNA片段上進行編輯，這依然是個大難題。雖然CRISPR是相對簡單的剪輯活兒，但需要假借細菌之手來完成，而且剪輯的內容不是文字，是關乎生命的基因，這就不能不讓人擔心：剪輯出錯了怎么辦？如果在不該剪輯的地方剪輯了呢？如何控制它，在該停的時候就停？

特別是，CRISPR這位“核查員”相當靈活，哪怕發現與目標相似但不完全相同的序列，也會下手切割。這就偏離了目標，可能帶來有害的后果。因此，CRISPR-Cas9用于治療遺傳疾病存在一定的風險。

因此，研究人員花費了數年時間，一直在尋找一個可以隨意控制CRISPR的開關。然而，意想不到的是，他們要找的東西就在我們眼皮底下：病毒的anti-CRISPR就是控制CRISPR的最好開關。

前面提到，CRISPR是細菌對付噬菌體的武器，然而，CRISPR并不總是有效的。2012年，美國加州大學的微生物學家約瑟·邦迪-德諾米將噬菌體與攜帶CRISPR的細菌放在一起時發現，盡管一些噬菌體被消滅了，但還是有一些噬菌體出人意料地活了下來并且成功感染了細菌。原來這些噬菌體的成功依賴于一種蛋白質，這種蛋白質可以通過粘附在CRISPR的“剪刀”——Cas上，并使其鈍化來阻止細菌的CRISPR發揮作用。因此之故，這種蛋白后來叫anti-CRISPR蛋白（簡稱Acrs蛋白）。在噬菌體DNA上，負責合成Acrs蛋白的基因，叫Acrs基因。

于是，細菌和噬菌體陷入了一場軍備競賽。細菌利用CRISPR來削弱噬菌體，而噬菌體又利用anti-CRISPR來破壞細菌的防御系統。但這里有個問題：為什么在同一場戰爭中，有的噬菌體會被消滅，另一些卻能活下來并最后奪取勝利？

這是一場與時間賽跑的戰爭。科學家為我們還原了現場：一旦噬菌體將其基因注入細菌體內，其中的Acrs基因就開始利用細菌來制造Acrs蛋白，但這需要時間。相比之下，細菌現成的CRISPR也同時開始消滅噬菌體。這就看誰的速度更快一些了。噬菌體在自己被消滅之前會多少制造出一些Acrs蛋白，這些蛋白會部分抑制其防御系統。同理，下一個入侵的噬菌體也有可能在被消滅前，又制造出一些Acrs蛋白，使細菌的防御系統進一步被削弱。只要這些噬菌體量足夠多，前仆后繼，最后總能將細菌徹底擊敗。這就好比下一波士兵踩著上一波士兵殺出的血路，最終攻下了敵人的陣地。

在這場你死我活的戰斗中，關鍵的是噬菌體的anti-CRISPR可以使細菌的CRISPR失效，而這恰恰是生物學家夢寐以求的控制CRISPR的手段！

起初，邦迪-德諾米沒意識到他的發現的重要性。因為當時CRISPR也才發現不久，沒有人考慮如何去控制它的問題。他繼續研究Acrs，在一系列其他噬菌體中也發現了Acrs基因和蛋白。

2016年，邦迪-德諾米和他的同事將CRISPR-Cas9送入人類細胞，讓其在某個位置剪除某個基因，一定時間之后，又送入Acrs蛋白，讓其關閉CRISPR-Cas9。這個實驗獲得成功。

隨后，研究人員干脆把編輯工具CRISPR-Cas9基因和控制開關Acrs基因捆綁在一起使用，形成CRISPR-Cas9-Acrs。對于這個Acrs基因，實驗人員可以先設置它的狀態為“沉默”或者“激活”，然后根據需要，在適當條件下使其切換到另一種狀態，通過這種方式來控制Acrs。

譬如，科學家先讓Acrs基因處于“沉默”狀態，于是CRISPRCas9-Acrs行使著編輯的功能，然后通過光照，激活Acrs基因，于是基因編輯就停止了。這樣，就可以控制CRISPR編輯的時間，因為時間越長，出錯的風險越大。再比如，科學家先讓Acrs基因處于“激活”狀態，設置它僅當在肝細胞中，才切換到“沉默”狀態。這樣，他們就可以讓基因編輯限制在肝細胞中。通過控制CRISPR編輯的地點，也可以降低風險。

總之，anti-CRISPR是繼CRISPR之后，又一個方興未艾的領域。掌握了anti-CRISPR這個控制手段，科學家在揮動CRISPR這把基因編輯“剪刀”時，將會更加得心應手。CRISPR允諾給我們的好處，也更加有保障。

進化的軍備競賽

正文中提到，細菌通過CRISPR來對付感染它的病毒，而病毒又反過來通過anti-CRISPR來反擊細菌，而且反擊幾乎總能成功。那么，既然如此，為什么自然選擇還會讓CRISPR繼續存在呢？

這是一個進化上的難題。一種可能是，在某些情況下，CRISPR仍然能有效地對抗病毒。正文中已經提到，當病毒數量少的時候，CRISPR可以在病毒激活它們的anti-CRISPR之前，就能將其消滅。僅當病毒蜂擁而至，前仆后繼地進攻時，防線才會被攻破。所以，它對于少量的病毒，還是有效的。

細菌進化出CRISPR可能花了數千萬年時間。我們相信，在生存的軍備競賽中，細菌將針對病毒，繼續進化出新的防御機制，而病毒呢，也將進化出新的反擊方式。