长篇鬼故事 - 杨璐菡研究进展（杨璐菡的人物介绍）

• 杨璐菡的人物介绍
• 福布斯排行榜
• 基因编辑技术是什么它是如何在医学领域应用的
• CRISPR/Cas9：基因编辑的历史与发展
• 人类目前在生物圈研究领域的成就都有哪些

杨璐菡的人物介绍

杨璐菡，女，2008年本科毕业于北京大学，曾因第一个利用CRISPR-Cas9技术修改细胞基因组和领导eGenesis，而被福布斯杂志评为2014年30岁以下30个科学医疗领域(30 under 30)领军人物之一。
杨璐菡在北京大学本科毕业后，前往哈佛大学攻读硕士学位，毕业后曾任哈佛大学助教、波士顿咨询集团夏季顾问，现在哈佛大学从事博士后研究工作。

福布斯排行榜

2022福布斯中国科技女性50：

安文琪：华兰生物，副总经理、研发中心副主任。

成森平：三迭纪，创始人、首席执行官。

程君侠：复旦微电，执行董事、总工程师。

崔好（Cheryl Cui）：恩和生物Bota Bio，联合创始人、CEO。

杜玉涛：华大基因，常务副总裁。

范靖：霍德生物，创始人、CEO。

范敏华：普利制药，董事长、总经理。

方牧：未来机器人，联合创始人、CTO。

高月静：蓝晓科技，董事长。

韩丹翔：德默特，创始人。

何静：阿斯利康，全球肿瘤研发高级副总裁、全球研发中国中心总裁。

胡海岚：浙江大学脑科学与脑医学学院，院长、教授。

姜傥：迪安诊断，副总经理。

刘爱玲：瑞普生物，副总经理、药物研究院院长。

刘芳：此芯科技，创始合伙人、CTO。

刘世霞：清华大学软件学院，教授。

刘星宇：长木谷，创始人、总经理。

楼金芳：百诚医药，董事长。

马春娥：数坤科技，联合创始人、CEO。

缪瑾：微软，资深研发总监。

彭莉：沐曦，CTO、首席硬件架构师。

秦小林：德州仪器，中／高功率音频系统应用经理。

仇肖莘：爱芯元智，CEO。

仇雨菁：芯驰科技，联合创始人、CEO。

任彩霞：昊海生科，副总经理。

邵彩梅：禾丰股份，联合创始人、CTO。

石建萍：商汤科技，绝影智能汽车事业群智能驾驶副总。

史琳：远大医药，副总裁、首席医学官。

宋薇：谱尼测试，董事长。

汤艺：斯达半导，副总经理。

陶梅霞：上海交通大学电子信息与电气工程学院，教授。

王继华：万孚生物，董事长。

王婧：义翘神州，研发中心研发经理。

王淑敏：安集科技，董事长、总经理。

王笑楠：清华大学，化学工程系副教授、特别研究员。

王颖：明德生物，联合创始人、副总经理。

温月芳：中简科技，总经理、总工程师。

吴芳：芳源股份，副总经理、研究院院长。

吴明红：中国工程院、上海大学环境与化学工程学院，院士、教授。

熊曦：福斯特，副总经理。

薛云丽：绿叶制药，高级副总裁。

阳虹：上海电气，副总裁、科技管理部部长、中央研究院院长。

杨红霞：阿里巴巴达摩院，人工智能科学家。

杨璐菡：启函生物，创始人。

于海英：微创机器人，资深副总裁。

郑静：信念医药，联合创始人、CEO。

仲倞：高诚生物，总裁、CEO。

周俊：圣湘生物，副总经理、首席医学官。

朱青：腾盛博药，高级副总裁、生物制药部门负责人。

朱晓蕊：哈尔滨工业大学（深圳）／速腾聚创，教授／联合创始人、首席科学家。

基因编辑技术是什么它是如何在医学领域应用的

基因技术不断发展，到现在已发展到第三代基因技术。第三代基因技术CRISPR/Cas克服了传统基因操作的周期长、效率低、应用窄等缺点。作为一种最新涌现的基因组工具，CRISPR/Cas能够完成RNA导向的DNA识别以及。通过一段序列特异性向导RNA分子（sequence- specific guide RNA）引导核酸内切酶到靶序列处，从而完成基因组的精确，因其操作简单、成本低、高效率，近几年成为炙手可热的基因手段，目前已广泛用于模式生物研究，医疗，植物作物，农业畜牧等领域。

1 磨快CRISPR利器，加快科学发现

CRISPR/Cas9的出现给了科研人员无限想象的可能，基于CRISPR/Cas9的技术很快就被广泛应用于全世界各个实验室中，这里我们将主要介绍最常用的几种应用。

早期，科研人员通过同源重组（HR）介导的基因打靶技术来实现基因，但因效率太低，极大地限制了其应用。为了克服这一难题，一系列通过核酸内切酶介导的基因技术被开发出来，通过这些核酸内切酶切割特定的基因组序列，借助细胞自身修复体系如非同源末端连接或同源重组修复方式，并由此达到改变基因组序列的目的，锌指核酸内切酶（ZFNs）、类转录激活因子效应物核酸酶（TALENs）以及sgRNA介导的Cas9核酸内切酶正是基于此原理工作的。

锌指核酸内切酶（ZFNs）和类转录激活因子效应物核酸酶（TALENs）均可通过蛋白-DNA相互作用识别基因组上的特定DNA序列并完成特定位点的切割，但是它们因效率低下、可选潜在位点少、成本高等原因极大地限制了它们的应用，直到CRISPR/Cas9系统的出现，科研人员才找到了一种成本低、效率高、简单易用的基因工具。

CRISPR/Cas9出现之后，科研人员最先想到的便是将其运用到基因上了，根据目标基因的外显子序列设计single guide RNA（sgRNA）并与含有Cas9编码序列的质粒一起转入细胞，sgRNA通过碱基互补配对的原则引导Cas9蛋白靶向目标DNA序列，Cas9蛋白会在该位点切割DNA，引发DNA双链断裂（DSB），此时细胞通过非同源末端连接修复（NHEJ）完成DNA的自身修复，

因修复过程中常常发生碱基的添加和丢失，而最终导致基因的移码突变从而达到基因敲除的目的，或者针对目的基因的上下游序列各设计一个sgRNA，从而引发该基因上下游同时发生DSB，再通过DNA损伤修复机制将断裂的上下游两端的DNA连接在一起，引发DNA片段缺失，从而达到基因敲除的目的。如果在此基础上为细胞引入一个修复的模板质粒，细胞就会以此模板进行同源重组修复，如果引入的修复模板是一个想要插入的基因，便可在特定的位置进行基因敲入了。

2 神奇的dCas9多功能工具包

随着人们对Cas9研究的不断深入，Cas9发挥功能的结构基础也渐渐明确，在Cas9发挥切割DNA的功能时，它的两个结构域发挥着重要作用，分别是RuvC和HNH，其中HNH结构负责sgRNA互补链的切割，切割的位点位于PAM的5’端的第三个碱基外侧，RuvC结构域负责非互补链的切割，切割位点是在PAM上游的3-8碱基之间，当将这二者同时突变失活，便产生了失去DNA切割活性的Cas9蛋白了（dCas9），dCas9虽然失去了对DNA的切割能力，但依旧可以在sgRNA的引导下到达指定的DNA序列处，这是基于sgRNA–dCas9复合体的这一特征，若在dCas9上融合不同功能的结构域，便可在特定的DNA区域完成不同的修饰了，这便形成了基于CRISPR/dCas9的工具包了。

脑洞大开的科学家利用dCas9蛋白，开发出各种用途的工具，可谓是把CRISPR/dCas9利用得淋漓尽致，这里我们举几个简单的例子如研究人员针对目标基因的启动子序列设计sgRNA，使得sgRNA–dCas9复合体靶向结合到目标基因的启动子上，因dCas9蛋白带来的空间位阻可干扰转录因子的结合，从而引发在转录水平上的干扰基因表达的效果，而在此基础上为了达到更佳的干扰效果，一些能够引发基因转录阻遏的结构域也被融合到dCas9蛋白上，如KRAB（Krüppel-associated box）等。

既然可以通过CRISPR/dCas9实现基因表达的干扰，那是不是也可以通过CRISPR/dCas9实现激活基因表达呢？答案是肯定的。科研人员通过向dCas9上融合vp64（四个串联的vp16）、p65AD（p65 activation domain）等促进促进基因转录的结构域，实现基因的内源性激活，在经过各种优化之后，比如由vp64、p65AD和VPR（Epstein-Barr病毒R反式激活因子Rta47）组成的三联结构域（dCas9–VPR）就可以实现很高水平的内源性激活基因表达的效果了。

通过基于CRISPR/dCas9的基因表达干扰和内源性激活工具的建立，使得科研人员在进行诸如基因功能研究的工作时有了更为简单、高效且低成本的研究工具。这很大程度上为科研人员节约了时间和成本。

3 精准表观遗传修饰

表观遗传研究是近些年来非常火热的领域，DNA甲基化、组蛋白乙酰化等都在生物体中发挥着重要的生物学功能，而CRISPR/dCas9在表观遗传的研究中也成为了十分强大的工具。比如CRISPR/dCas9介导的靶向DNA甲基化修饰，我们知道在DNA甲基化过程中DNA甲基转移酶（DNA methytransferases，DNMTs）起着关键的催化作用，而且大部分DNA甲基化都发生在CpG岛，

因此研究人员尝试着将DNMTs的催化结构域融合到dCas9上形成dCas9-Dnmt3a3L，并通过sgRNA的引导靶向目标DNA序列的CpG附近催化其甲基化，以实现DNA甲基化的定点。相似地，研究人员将在DNA去甲基化过程中起关键催化作用的TET1蛋白的催化结构域融合到dCas9上形成dCas9-TET1，同样的通过sgRNA的引导靶向目标DNA序列的CpG附近，可以实现去甲基化修饰。

再如CRISPR/dCas9介导的靶向组蛋白修饰，与靶向DNA甲基化修饰相似，一些和组蛋白修饰相关的酶包括组蛋白去甲基化酶（LSD1/KDM1A）、组蛋白乙酰转移酶以及组蛋白甲基转移酶等也被融合到dCas9蛋白上，以实现靶向组蛋白修饰。

除以上的应用外，CRISPR/dCas9还被用于其他多个领域，比如将EGFP融合到dCas9上，通过sgRNA靶向特定DNA序列实现基因组成像。此外，还有研究人员开发出基于CRISPR/dCas9的enChIP技术，以来探测特定基因组区域上的DNA-蛋白质相互作用，通过sgRNA靶向特定基因组基因座的标记dCas9的抗体免疫沉淀，之后通过蛋白质谱（enChIP-MS），鉴定与之特异性相互作用的蛋白质。这些工具的开发都极大地帮助了科研人员，使得之前无法实现的操作成为可能，推动了生命科学的快速发展。

4 基因及药物靶标基因的确定

以往基于ZFN或TALENs的基因组技术，需要针对DNA靶序列设计蛋白质，而CRISPR技术仅需要根据不同的靶序列合成相应的80nt左右的sgRNA来引导Cas9蛋白对序列进行修饰，这就实现了基因技术的高通量应用。

CRISPR全基因组筛选技术可用于必需基因及药物靶标基因鉴定。多伦多大学Jason Moffa研究组建立了覆盖全基因组gRNA库并在5个细胞系中逐个敲除了1.8万个基因，最后鉴定出在不同细胞系间保守的1580个必需基因构成的“core fitness genes”。

同样，美国达纳-法伯癌症研究所W. Nick Haining研究组通过CRISPR/Cas9系统性地敲除了黑色素瘤细胞的2368个基因，发现ptpn2基因缺失会使这些癌细胞对PD-1阻断更加敏感。华盛顿大学医学院Michael Diamond研究组利用CRISPR/Cas9鉴定在宿主细胞中坚定了黄病毒感染所绝对必需的9个基因，其中spcs1基因缺失时，不仅降低黄病毒感染率，而且对细胞也不产生副作用，这将是一个潜在的黄病毒药物靶标。

5 疾病建模及器官供体产生

CRISPR/Cas9作为新一代基因技术，同样可被应用于建立疾病模型及培育供体器官。基因治疗可实现在患者自身细胞中纠正遗传缺陷，并结合其他生物学技术在体外培育出组织特异性的“类器官”，对于疾病建模、药物筛查及临床治疗等方面研究有极大意义。CRISPR介导的基因组技术可以直接应用于非人类哺乳动物的疾病模型建立，将更有利于疾病致病机理和治愈研究。

此外，CRISPR技术还可应用于大型动物的基因以研究免疫排斥及跨物种的疾病传染，从而解决异种移植器官来源的瓶颈，猪被认为是人体异种器官来源的首选动物，而目前猪器官用于人类的主要障碍为免疫排斥反应，及猪内源性逆转录病毒（Porcine endogenous retroviruses, PERVs）带来的医疗风险问题。eGenesis公司杨璐菡博士与哈佛大学George Church教授利用CRISPR进行基因改造一步让62个PERV pol 基因关闭，因而将来自PERV的传染风险降低了三个数量级，成功培育出不含PERVs的猪品系，作为安全有效的异种移植器官来源，这些研究让猪成为病人的器官来源更有前景。

6 基因疗法

基因技术可以准确地改造人类基因，达到基因治疗效果。中国科学院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组通过在小鼠胚胎中注射CRISPR/Cas9纠正白内障小鼠模型中的遗传缺陷，所产生的后代是可育的并能将修正后的等位基因传递给它们的后代。杜氏肌营养不良（DMD）是一种罕见的肌肉萎缩症，也是最常见的致命性遗传病之一，是由肌营养不良蛋白dystrophin基因突变引起。杜克大学Charles Gersbach研究组应用CRISPR/Cas9在DMD小鼠中将dystrophin基因突变的23外显子剪切，而合成了一个截短的但功能很强的抗肌萎缩蛋白，这是生物学家“首次成功地利用CRISPR基因技术治愈了一只成年活体哺乳动物的遗传疾病”。

► CAR-T治疗简图，图片来自onclive.com

基因技术联合免疫疗法在肿瘤及HIV/AIDS治疗具有广泛的应用前景。嵌合抗原受体T细胞（Chimeric Antigen Receptor T cell，CAR-T）细胞治疗是非常有前景的肿瘤治疗方法。CAR-T细胞疗法在B细胞恶性血液肿瘤治疗中已经取得硕果。中科院动物研究所王皓毅研究组利用CRISPR/Cas9技术在CAR-T细胞中进行双基因（TCRα subunit constant 和beta-2 microglobulin）或三基因（TRAC，B2M及programmed death-1）敲除。美国斯隆凯特林癌症纪念中心Michel Sadelain研究组发现CRISPR/Cas9技术将CAR基因特异性靶向插入到细胞的TRAC基因座位点，极大增强了T细胞效力，的细胞大大优于传统在急性淋巴细胞白血病小鼠模型中产生CAR-T细胞。

继诺华的Kymriah以及Gilead （kite Pharma）的Yescarta接连上市，CRISPR Therapeutics公司也在应用CRISPR/Cas9基因技术开发同种异体CAR-T候选产品。2016年10月，四川大学华西医院的肿瘤医生卢铀领导的一个团队首次在人体中开展CRISPR试验，从晚期非小细胞肺癌患者体内提取出免疫细胞，再利用CRISPR/Cas9技术剔除细胞中的PD-1基因更有助于激活T细胞去攻击肿瘤细胞，最后将基因过的细胞重新注入患者体内。

7 致病菌及抗病毒研究

微生物种群与人体医学，自然环境息息相关。北卡罗来纳大学Rodolphe Barrangou与Chase L. Beisel合作通过使用基因组靶向CRISPR/Cas9系统可靶向并区分高度密切相关的微生物，并程序性去除细菌菌株，意味着CRISPR/Cas9系统可开发成精细微生物治疗体系来剔除有害致病菌，人类将有可能精确控制微生物群体的组成。以色列特拉维夫大学Udi Qimron将CRISPR系统导入温和噬菌体中在侵染具有抗生素抗性的细菌以消灭此类细菌，CRISPR系统已具有成为新一类抗生素的潜力。Locus BioSciences公司也在开发在噬菌体中开发CRISPR系统以达消灭难辨梭菌的目的。

弗吉尼亚理工大学Zhijian Tu研究组在雄蚊子中进行M因子基因，可以导致雌雄蚊之间的转化或雌蚊的杀戮，从而实现有效的性别分离和有效减少蚊子的数量，也将减少寨卡病毒及疟疾等传播。

基于CRISPR治疗不仅可以应用于根除共生菌或有益菌群的病原体，也可应用于靶向人类病毒，包括HIV-1，疱疹病毒，乳头瘤病毒及乙型肝炎病毒等。具有纯合的32-bp缺失（Δ32）的CC趋化因子受体5型（CCR5）基因的患者对HIV感染具有抗性。因此加利福尼亚大学Yuet Wai Kan在诱导多能干细胞iPSC中利用CRISPR系统引入纯合CCR5Δ32突变后，诱导分化后的单核细胞和巨噬细胞对HIV感染具有抗性。天普大学Kamel Khalili 课题组应用CRISPR/Cas9系统在宿主细胞基因组中精确HIV-1 LTR U3区，从而在将艾滋病病毒从基因组中剔除。

8 核酸诊断及细胞事件记录

Cas12a （Cpf1）属于CRISPR家族另一核酸内切酶，它也可被gRNA引导并剪切DNA。但是，它不仅可以切割相结合的单链或双链DNA，也剪切其他的DNA。近日，加州大学伯克利分校Jennifer Doudna研究组开发了基于CRISPR的一项新技能——基因侦探（DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter (DETECTR)）。利用单链DNA将荧光分子和淬灭分子连接构建成一个报告系统，当CRISPR-Cas12a在gRNA引导下结合到目标DNA并发挥剪切作用时，报告系统中的DNA也被剪切，荧光分子将被解除抑制。此系统在致癌性HPV的人的DNA样品检测HPV16和HPV18变现极佳。

布罗德研究所Feng Zhang研究组开发的基于CRISPR的2代SHERLOCK （Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing），原理是利用Cas13a被激活后，可以切割除靶序列外其他的RNA的特征，引入了解除荧光分子的抑制。此工具可实现一次性多重核酸检测，可同时检测4种靶标分子，额外添加的Csm6使得这种工具比它的前身具有更高的灵敏度，并将它开发成微型试纸条检测方法，简单明了易操作，已被研究人员成功应用于RNA病毒，如登革热病毒和寨卡病毒，及人体液样本检测。

Broad研究所David R. Liu研究组利用CRISPR/Cas9开发了一种被称为CAMERA（CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus）的记录细胞事件的“黑匣子”他们利用这个系统开发出两种细胞记录系统，在第一种被称为“CAMERA 1”的细胞记录系统中，研究人员利用细菌中质粒的自我复制但又严格控制其自身数量的特征，

将两种彼此之间略有不同的质粒以稳定的比例转化到细菌中，随后在接触到外来药物刺激时，利用CRISPR/Cas9对这两种质粒中的一种进行切割，通过对质粒进行测序并记录两种质粒比例的变化来记录细菌接触外来刺激的时间。另一种细胞记录系统被称为“CAMERA 2”，它利用基于CRISPR/Cas9的碱基系统实现在细胞内特定信号发生时改变遗传序列中的单个碱基，以此实现对诸如感染病毒、接触营养物等刺激的记录。这套技术的出现将很大程度的帮助人们进一步了解细胞的各类生命活动的发生发展规律。

9 人类胚胎基因组

2015 年 4 月，中山大学的黄军利用CRISPR/Cas9介导的基因技术，同源重组修复了胚胎中一个引发地中海贫血β-globin gene （HBB）的突变。

► 图片来自kurzgesagt.org

2016年，广州医科大学的范勇团队在三原核受精卵中，应用基因技术CRISPR受精卵中的基因CCR5进行引入CCR5Δ32纯合突变由于当时脱靶效率问题突出，产生了镶嵌式的受精卵。

2017年8月2日，俄勒冈健康与科学大学胚胎细胞和基因治疗中心Shoukhrat Mitalipov研究组公布了其应用CRISPR在人类胚胎中进行DNA的结果，纠正了突变的MYBPC3基因，其突变会引起心肌肥厚并将年轻运动员猝死。

CRISPR/Cas9：基因编辑的历史与发展

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CRISPR/Cas系统是细菌和古菌特有的一种天然防御系统，用于抵抗病毒或外源性质粒的侵害。当外源基因入侵时，该防御系统的 CRISPR 序列会表达与入侵基因组序列相识别的 RNA，然后 CRISPR 相关酶(Cas)在序列识别处切割外源基因组DNA，从而达到防御目的。

根据Cas蛋白的特点，可将CRISPR/Cas系统分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型和Ⅲ型系统需要借助复杂的蛋白复合体发挥作用，Ⅱ型系统仅借助 Cas9蛋白和sgRNA即可对靶目标进行，结构简单，操作容易，因此目前主要使用Ⅱ型CRISPR/Cas9 系统。

CRISPR/Cas自诞生以来，迅速发展，已经成为生命科学领域最耀眼、最有前景的技术。尤其是近两年，在全世界科学家的共同努力下，CRISPR/Cas相关新进展新突破不断涌现。

一、基因技术的发展史

基因可以分为三代，第一代：ZFN；第二代：TELEN；第三代：CRISPR/Cas。这三个基因技术都利用了DNA修复机制，所以我们先来了解一下DNA修复机制（ 图1 ）。

图1-NHEJ修复（左），HDR修复（右）

NHEJ（Non-homologous end joining）

非同源性末端接合

NHEJ修复机制不需要任何模版，修复蛋白直接将双股裂断的DNA末端彼此拉近，在DNA连接酶的帮助下重新接合（ 图1 ）。

HDR（Homology directed repair）

同源重组修复

当细胞核内存在与损伤DNA同源的DNA片段时，HDR才能发生。

NHEJ的机制简单又不依靠模版，因而NHEJ的活性相对于HDR高出许多。但NHEJ修复出错的概率较高，容易造成移码突变等，基因正是利用了这一点（ 图1 ）。

1.ZFN的识别切割机制

融合锌指模块和FokI切割结构域形成ZFN ；以二聚体的形式靶向切割每个锌指结构；特异识别3个碱基 ；组装多个锌指结构(识别12-18bp)形成的ZFN对可特异切割基因组靶点 （ 图2 ）。

图2-ZFN基因原理图

2.TALEN的识别切割机制

两个TALE靶向识别靶点两侧的序列；每个TALE融合一个FokI内切酶结构域；FokI通过TALE靶向形成二聚体切割靶点；设计灵活识别特异性强（ 图3 ）。

图3-TELEN基因原理图

3.CRISPR/Cas9的识别切割机制

crRNA通过碱基配对与 tracrRNA结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物，此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA（ 图4 ）。

图4-CRISPR/Cas9基因原理图

ZFN、TELEN、CRISPR/Cas9比较

图5-三种基因的比较

二、CRISPR/Cas技术的介绍

CRISPR/Cas9 系统的发现

1987年，在大肠杆菌的基因组中首次发现了一个特殊的重复间隔序列——CRISPR序列，随后，在其他细菌和古菌中也发现了这一特殊序列。

2005年，发现这些CRISPR序列和噬菌体的基因序列匹配度很高，说明CRISPR 可能参与了微生物的免疫防御。

2011年，CRISPR/Cas系统的分子机制被揭示：当病毒首次入侵时，细菌会将外源基因的一段序列整合到自身的CRISPR的间隔区；病毒二次入侵时，CRISPR 转录生成 前体crRNA (pre-crRNA)， pre-crRNA 经过加工形成含有与外源基因匹配序列的crRNA，该crRNA与病毒基因组的同源序列识别后，介导 Cas 蛋白结合并切割，从而保护自身免受入侵。

2013年，发现CRISPR/Cas9系统可高效地基因组。随后张锋等使用CRISPR系统成功的在人类细胞和小鼠细胞中实现了基因。

从此开始，CRISPR/Cas9技术给生命科学领域带来了巨大冲击，CRISPR/Cas9相关研究成果频频登上CNS等顶级期刊，近两年更是成为诺贝尔奖热门候选。

CRISPR/Cas技术的原理

CRISPR/Cas9系统的工作原理是 crRNA（ CRISPR-derived RNA ）通过碱基配对与 tracrRNA（trans-activating RNA ）结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物，此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA。而通过人工设计 crRNA 和 tracrRNA 这两种 RNA，改造成具有引导作用的sgRNA （single guide RNA ），从而引导 Cas9 对 DNA 的定点切割（图4）。

CRISPR/Cas技术的优势

设计简单，简明的碱基互补设计原则，识别不受基因组甲基化影响，能靶向几乎任意细胞任意序列，方便同时靶向多个靶点，切割效率高。

三、CRISPR/Cas的脱靶效应

PAM**** (Protospacer adjacent motif )

前间区序列邻近基序

PAM序列区是CRISPR/Cas9系统行使切割功能的基本条件。如果靶序列 3′端没有PAM序列，即使靶序列与sgRNA序列完全匹配，Cas9蛋白也不会切割该序列位点。 PAM序列主要影响CRISPR/Cas9的DNA切割效率。在细胞水平上，NGG介导的切割效率是最高的。

sgR****NA ****(Single guide RNA )

向导 RNA

sgRNA与目标基因组相结合的 20nt 序列区决定着 CRISPR/Cas 系统的靶向特异性。CRISPR/Cas9与靶位点识别的特异性其实主要依赖于sgRNA与靠近PAM区的10~12 bp的碱基配对，而其余远离PAM序列 8~10 bp 碱基的错配对靶位点识别的影响并不明显。目前研究结果均提示，可能靠近 PAM 的 8~14 bp 序列是决定特异性的关键，其他序列也均在不同程度上影响脱靶效应。

CRISPR/Cas9的脱靶效应给研究带来了一定程度上的不确定性，也是限制其发挥更大潜力的主要原因之一。

2017年5月30日， Nature 杂志子刊 Nature Methods 刊登了美国哥伦比亚大学研究人员的一篇文章，研究人员通过CRISPR/Cas9成功修复了导致小鼠失明的基因后，对小鼠进行全基因测序，发现修复后的小鼠基因组有超过1500个单核苷酸突变，以及超过100个位点发生大片段插入或缺失（ 图6 ）。文章的结论无疑引发了巨大震动，也给正在进行中的CRISPR/Cas9带来了不确定性。

图6--动物体内实验中CRISPR/Cas9后发生意想不到的突变

仔细分析后，发现该文章并不十分严谨，文章仅有两只小鼠作为实验组，一只作为对照组，数量不足以证明结论是否只是个例。而且单碱基突变是生物体内自然现象，不能全归于CRISPR/Cas9。整个实验只基于一个sgRNA数据，且该sgRNA特异性评分很低，造成脱靶效应也应该在预料之中（ 图7 ）。

图7--针对 Nature Methods 文章的回应

经过一系列的研究和改进，目前CRISPR系统的脱靶性已经很低，当然，要想达到理想的状态，还有很长的路要走。

四、CRISPR/Cas技术的进展

2016年6月，张锋在 Science 发表文章，发现CRISPR/Cas13a能有切割细菌的特定RNA序列。

2016年9月，Jennifer Doudna在 Nature 发表文章，证实CRISPR/Cas13a可以用于RNA检测。

2017年2月22日，美国纪念斯隆.凯特林癌症中心（MSK）研究人员在 Nature 杂志发文，使用腺相关病毒（AAV）介导，将CRISPR/Cas9基因技术应用于CAR-T疗法。该研究既解决了传统CAR-T疗法的随机整合可能存在的潜在危害，又大大降低了CAR-T细胞发生分化或癌化的风险，赋予了CAR-T技术全新的高效性、稳定性、安全性。

2017年8月2日，Shoukhrat Mitalipov在 Nature 发表长文，使用CRISPR/Cas9技术修正了植入子宫前的人类胚胎中一种和遗传性心脏病有关的变异。该研究证实了通过人类胚胎进行治疗遗传病是安全可行的。值得一提的是，该成果受到了基因领域大牛George Church等人的质疑。

2017年8月11日，杨璐菡等在 Science 发表文章，通过CRISPR/Cas9技术敲除猪基因组中的内源逆转录病毒（PERV）序列，并克隆出多只PERV失活小猪。向最终实现使用猪器官进行人体器官移植的终极目标迈进了一大步。

2017年9月，杂交水稻之父”袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技术敲除与镉吸收和积累相关基因的水稻育种成功。该研究从根本上解决了水稻镉污染的问题，将扭转我国部分农作物重金属超标的问题，进而改善部分人群重金属慢性中毒的问题。

2017年10月4日，张锋在 Nature 发表论文证实CRISPR/Cas13a能够在哺乳动物细胞中特定的RNA。CRISPR/Cas13a能够达到RNAi相似的降低基因表达的效率，而且有更强的特异性，且对细胞内天然的转录后调控网络的影响更小。

2017年10月19日，Jennifer Doudna在 Nature 发表文章，设计了高精确性的Cas9变体—HypaCas9。该研究极大地降低了Cas9的脱靶效应，且不降低靶向切割效率。

2017年10月25日，张锋在 Science 发表文章介绍CRISPR新系统--REPAIR，可以高效的进行RNA的单碱基修复。因为不改变DNA序列，所以为通过基因治疗遗传病而又不永久影响基因组提供了新可能。

2017年10月25日，哈佛大学Broad研究所的David Liu实验室在 Nature 发表长文，报道了新型腺嘌呤基因器——ecTadA-dCas9，可以将A·T碱基对转换成G·C碱基对，该技术首次实现了不依赖DNA断裂即可进行基因的技术，即单碱基基因技术。该技术高于其它基因组方法的效率，且几乎没有随机插入、删除或其它突变等不良副作用，因此为今后大范围治疗点突变遗传疾病提供了极大的便利。

五****、展望

近几年CRISPR/Cas基因技术飞速发展，推广应用到了生物、医学、农业以及环境等多个领域，造就了一批批科研奇迹，尤其是在遗传病的治疗、疾病相关基因的筛查与检测、肿瘤治疗以及动植物的改造、病原微生物防治等领域有着巨大的潜力，也将深远地影响整个世界。

特别感谢：BioArt主编给予的帮助和意见以及吉满生物吴晨提供图1-图5的图片。

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人类目前在生物圈研究领域的成就都有哪些

1、重磅！世界上首例体细胞克隆猴在中国诞生

克隆羊多莉（Dolly）诞生于1996年7月5日，1997年首次向公众披露。它被美国《科学》杂志评为1997年世界十大科技进步的第一项，也是当年最引人注目的国际新闻之一。

在培育多莉羊的过程中，科学家们采用体细胞克隆技术，这种技术也称作体细胞核移植（somatic cell nuclear transfer， SCNT）。

SCNT是动物细胞工程技术的一种常用技术手段，涉及将供者体细胞核移入去核的卵母细胞中，使后者不经过精子穿透等有性过程（即无性繁殖）就可被激活、分裂并发育为新的胚胎，这个胚胎最终发育为动物个体。

2、华人团队解决异种器官移植难题

近日，《科学》杂志在线刊登了一项重量级的研究。来自浙江大学、云南农业大学、重庆第三军医大学、哈佛大学以及其他科研机构与公司的团队使用CRISPR-Cas9基因技术。

一举解决了将猪器官移植到人体内的关键难题。这项研究的通讯作者是2017全球青年领袖，80后科学家杨璐菡博士。

器官移植手术影响了全球数百万人的生命。以美国为例，此时此刻，正在排队等待器官移植的患者人数高达12万。然而，每年能够用于移植的器官数量非常有限，成功进行的器官移植手术仅有3万多例。据估计，在2016年，每天都有22名患者在等待器官移植的过程中死去。

3、核移植技术重编程能力比诱导型多能干细胞技术更强

核移植（somatic cell nuclear transfer）和诱导型多能干细胞（iPSCs）是体细胞重编程的两种最主要的技术手段。核移植技术与诱导型多能干细胞的重编程能力是否存在差异一直是人们非常关注的问题。

2009年，高绍荣实验室通过四倍体互补实验，获得了全部由ips细胞发育而来的小鼠，证明了诱导型多能干细胞和核移植胚胎干细胞一样具有真正的多能性。但是，这是以健康个体来源的体细胞作为供体细胞的情况。未来的体细胞重编程应用于临床研究时，主要面向的是病人而非健康个体。

4、中国科学家建立单倍体体细胞遗传筛选体系

单倍体细胞在遗传筛选和转基因动物培育中具有重要价值。前期研究获得了哺乳动物的单倍体胚胎干细胞，但是单倍体胚胎干细胞在体外培养和分化过程中会发生自发二倍化，对建立单倍体体细胞遗传筛选体系带来挑战。

中国科学院院士、中科院动物研究所研究员周琪研究组通过活细胞观察，证实单倍体胚胎干细胞在分裂时发生有丝分裂滑移使细胞从中期直接进入间期，从而导致二倍化。用调控分裂中期关键靶点的小分子抑制剂进行筛选，发现CDK1和ROCK通路是调控单倍体胚胎干细胞二倍化的关键通路。

通过添加ROCK抑制剂，能将单倍体胚胎干细胞分化为三个胚层的单倍体体细胞，包括神经干细胞（可进一步分化为成熟神经元和星形胶质细胞）、心肌细胞和胰岛细胞。

5、机器人操作体细胞克隆猪诞生

经过两个多月漫长等待，一份特殊的“亲子鉴定”报告近日出炉。13头克隆小猪与“代孕”母亲无血缘关系，仅与供体细胞存在“亲子关系”。这从医学上表明了世界首例机器人操作的体细胞克隆猪在天津诞生。

较之以往的“手工操作”克隆技术，此次机器人自动化“操刀”，用力更小，对细胞伤害更少，精度更高，体细胞克隆技术成功的关键指标“囊胚率”也从10%提高至20%。

“机器人操作体细胞克隆猪”研究来自南开大学机器人所赵新教授领导的跨学科研究团队。体细胞克隆是改良生物品种的经典方法之一。它将普通品种卵母细胞的细胞核去除后，注入优良品种的体细胞，获得的后代一定是优良品种。