张锋基因黑客（张锋基因编辑最新研究进展）

诺贝尔奖风向标奖有哪些

除了霍维茨奖、拉斯克奖和邵逸夫奖外，由以色列人创立的 “以色列诺贝尔奖”——沃尔夫奖、加拿大 “小诺贝尔奖” ——盖尔德纳奖、 “豪华版诺奖”——生命科学突破奖以及美国生物医学最高类奖项——阿尔伯尼奖也是科学界的年度重磅大奖。

这些科学大奖的获得者有一定的概率会在未来获得诺贝尔奖，因此被称为 “诺奖风向标”，也一直备受科学界关注。

七大 “诺奖风向标” 盘点

1

霍维茨奖：“最强诺奖风向标”

路易莎·格罗斯·霍维茨生物或生物化学奖是哥伦比亚大学的年度大奖，由格罗斯·霍维茨设立，以他母亲的名字来命名，旨在表彰在生物或生物化学领域的基础研究中做出过突出贡献的研究人员或研究小组。



三位光遗传学奠基人成为新晋霍维茨奖得主

霍维茨奖自1967年开始颁发，在此次光遗传学领域的三位科学家获奖之前，108位霍维茨奖得主中已有40位获得诺贝尔生理学或医学奖，有11位获得诺贝尔化学奖，总体诺奖获得概率逼近50%，堪称 “最强诺奖风向标”。此次获奖的三位科学家毋庸置疑会成为未来诺奖的有力争夺者。

2

拉斯克奖：“美国的诺贝尔奖”

拉斯克奖自 1946 年起颁发，由被誉为“现代广告之父”的美国著名广告经理人、慈善家阿尔伯特·拉斯克（Albert Lasker）及其夫人玛丽·沃德·拉斯克（Mary Woodard Lasker）共同创立，旨在表彰在医学领域作出突出贡献的科学家、医生和公共服务人员。拉斯克奖的奖金为25 万美元。

拉斯克奖是全球医学界仅次于诺贝尔医学奖的一项大奖，被誉为 “美国的诺贝尔奖”，也是著名的“诺奖风向标”。截至2022年9月20日，已有90位拉斯克奖获得者随后获得了诺贝尔奖。



中国科学家屠呦呦获2011年拉斯克奖

值得一提的是，中国科学家屠呦呦也曾因发现 “治疗疟疾的青蒿素” 而获得2011年的拉斯克奖，并在2015年荣获诺贝尔生理学或医学奖。

3

邵逸夫奖：“东方的诺贝尔奖”

邵逸夫奖是按照中国著名慈善家邵逸夫先生的意愿而设，于2002年11月宣告成立，以表彰 “在学术及科学研究或应用上获得突破成果，和该成果对人类生活产生意义深远影响的科学家”，评选原则为不论得奖者的种族、国籍、性别和宗教信仰。



邵逸夫奖奖牌

邵逸夫奖设有三个国际性奖项，分别为天文学、生命科学与医学、数学科学。每年颁奖一次，每项奖金为120万美元，奖金数额仅次于科学突破奖。邵逸夫奖素有 “东方诺贝尔”的美誉，颁发至今，37位邵逸夫生命科学与医学奖获得者中已有8位随后获得了诺贝尔奖。

4

沃尔夫奖：“以色列的诺贝尔奖”

1976年1月1日，以色列慈善家沃尔夫（Ricardo Wolf）及其家族捐献一千万美元成立了沃尔夫基金会，其宗旨为 “为了人类的利益促进科学和艺术”。随后，在1978年，为表彰为人类利益和人民之间友好关系作出贡献的杰出科学家和艺术家，沃尔夫基金会开始颁发沃尔夫奖，此后，每年都会评选一次，单项奖金为10万美元。

沃尔夫奖在科学领域共设医学、农业、数学、化学和物理五类，其中，物理学奖和化学奖被认为是仅次于诺贝尔的同类奖项，而医学奖则仅次于诺贝尔奖和拉斯克奖。沃尔夫奖的获得者中有三分之一随后都获得了相关领域的诺贝尔奖，是自然科学领域最具影响力的科学大奖之一，被誉为 “以色列的诺贝尔奖”。



中国科学家袁隆平获2004年沃尔夫农业奖

华人学者袁隆平、丘成桐、陈省身、杨祥发、钱永健和吴健雄都曾获得过沃尔夫奖。

5

盖尔德纳奖：加拿大 “小诺贝尔奖”

加拿大盖尔德纳奖于1959年由加拿大盖尔德纳基金会创立，共分为国际奖、全球健康奖和怀特曼奖三类，其中国际奖尤为著名，旨在表彰那些为医学做出了独特贡献的杰出生物医学科学家。每一位获奖者都将获得10万加元（约50万人民币）的奖励。

盖尔德纳国际奖通常被认为是诺贝尔生理学或医学奖的风向标，有加拿大 “小诺贝尔奖” 之称。截至2022年9月20日，410位盖尔德纳奖获得者中已有102位随后获得了诺贝尔奖。



管轶教授获2021年盖尔德纳全球卫生奖

值得一提的是，2021年度盖尔德纳全球卫生奖颁发给了中国学者管轶教授和 Joseph Sriyal Malik Peiris 教授，以表彰他们在了解亚洲新发传染病暴发的起源和控制方面的贡献，特别是对人畜共患流感和严重急性呼吸道综合症（SARS）的贡献。

6

科学突破奖：“豪华版诺贝尔奖”

科学突破奖 (Breakthrough Prize) 由互联网企业家马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）等人发起设立，包括生命科学奖、基础物理奖和数学奖三项，每个奖项奖金为300万美元，是目前科学界奖金数额最高的奖项，故又有 “豪华版诺奖” 的美誉。



生命科学突破奖奖杯

生命科学突破奖旨在表彰为延长人类寿命做出突出贡献的科学家，从2013年开始颁发。截至2022年9月20日，已有6位科学突破奖得主随后获得了诺贝尔奖。

7

阿尔伯尼奖：美国生物医学最高类奖项

阿尔伯尼医疗中心医学和生物医学研究奖是美国生物医学最高类奖项，由纽约州阿尔巴尼医学中心设立，于2001年开始颁发，旨在“鼓励和表彰对提高人类健康和促进开创性生物医学研究的非凡和持久的贡献”。

在全世界的医学奖中，阿尔伯尼奖的单笔奖金为50万美元，仅次于300万美元的生命科学突破奖、120万美元的诺贝尔医学奖和100万美元的邵逸夫奖。

阿尔伯尼医学和生物医学奖为全球生物医学领域最知名、最具影响力的奖项之一，被视为诺贝尔奖风向标。截至2022年9月20日，21世纪产生的46位阿尔伯尼奖得主中已有8人随后获得了诺贝尔奖。



华人学者张锋等人获2017年阿尔伯尼奖

华人学者张锋和其他基因编辑领域学者 Emmanuelle Charpentier、Jennifer Doudna 等人共同获得了2017年的阿尔伯尼奖。随后，Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna 在2020年成功获得诺贝尔化学奖。

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即可对靶目标进行编辑，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、基因编辑技术的发展史

基因编辑可以分为三代，第一代：ZFN；第二代：TELEN；第三代：CRISPR/Cas。这三个基因编辑技术都利用了DNA修复机制，所以我们先来了解一下DNA修复机制（ 图1 ）。[图片上传失败...(image-8dab49-1625385468208)]

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，基因编辑正是利用了这一点（ 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 ）。

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图2-ZFN基因编辑原理图

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 ）。

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图3-TELEN基因编辑原理图

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 ）。

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图4-CRISPR/Cas9基因编辑原理图

ZFN、TELEN、CRISPR/Cas9比较

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图5-三种基因编辑的比较

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系统可高效地编辑基因组。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编辑。

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。

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图6--动物体内实验中CRISPR/Cas9编辑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 ）。

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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基因编辑技术应用于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。该研究证实了通过编辑人类胚胎进行治疗遗传病是安全可行的。值得一提的是，该成果受到了基因编辑领域大牛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编辑特定的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，所以为通过基因编辑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编辑器——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断裂即可进行基因编辑的技术，即单碱基基因编辑技术。该技术高于其它基因组编辑方法的效率，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基因编辑技术飞速发展，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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“天才”张锋：应社教育与应试教育的交锋

革命性技术“钱”景无限

2022年2月、3月间，一则 科技 界新闻被国内 科技 媒体广泛报道：美国专利和商标局（USPTO）裁定CRISPR-Cas9基因编辑技术专利属于美国哈佛和麻省理工学院博德研究所的张锋团队，而不是加州大学伯克利分校。

华人科学家张锋

CRISPR-Cas9是第三代基因编辑技术，短短几年内，风靡全球，是现有基因编辑和基因修饰里面效率最高、最简便、成本最低、最容易上手的技术之一，成为当今最主流的基因编辑系统。

2012年8月17日，加州大学伯克利分校化学家詹妮弗·杜德纳和德国马普感染生物学研究所教授埃玛纽埃勒·沙尔庞捷在一篇里程碑式的论文中概述了这项技术，成功解析了CRISPR-Cas9基因编辑的工作原理，这两位女科学家因此分享了2020年的诺贝尔化学奖。

2013年2月15日，张锋团队在美国《科学》杂志发表了论文，揭示了他们首次在体外将CRISPR/Cas9基因编辑技术对小鼠和人类细胞的特定基因完成了精确的切割，意味着将该技术改进并应用于哺乳动物和人类细胞。

基因编辑三巨头

自此，近年来生命科学领域最耀眼的技术正式宣告诞生，詹妮弗·杜德纳、埃玛纽埃勒·沙尔庞捷、张锋三人，也被人们称为CRISPR基因编辑三巨头。

革命性技术的出现，背后蕴藏着巨大的商机和市场。以杜德纳和沙尔庞捷为一方，背后是加州大学伯克利分校，以张锋为另一方，背后是哈佛和麻省理工，开始争夺这块价值数百亿美元的大蛋糕。

美国科学界的华裔“天才”

张锋，1982年出生在石家庄，11岁时，随母亲离开中国来到美国爱荷华州得梅因市（DesMoines）定居。他的辉煌履历简述如下：美国麻省理工学院 历史 上最年轻的华人终身教授（比钱学森先生获得MIT终身教职时还要小一岁），麻省剑桥博德研究所（隶属于麻省理工学院和哈佛大学）最年轻的实验室主任；被《自然》杂志评选为2013年年度十大科学人物之一；2016年10月登上《时代周刊》封面，被称为“下一代领导世界的人”；是美国人文与科学学院院士和美国国家医学科学院院士。

在遗传学和神经科学领域，张锋对两种革命性技术的发展做出了重要贡献。当他还是研究生时，他是光遗传学研究团队里的关键成员之一。这项技术为最终理解大脑如何工作，如何产生意识和 情感 ，又如何在神经退行性疾病中发生故障提供了阿拉丁神灯一般的强有力工具。

仅仅几年之后，张锋做出了另一项让他跻身于世界顶尖生物学家的工作：如何快速、简便且有效地编辑植物和动物、包括人类在内的基因组。这就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9基因编辑技术。

这项“基因魔剪”技术关乎一切生命体，包括动物、植物、微生物的基因，因此，它的前景似乎是任由人类想象。除了利润丰厚的生物制药领域，在农业中，CRISPR就可以用于作物育种、害虫治理、特色农产品的生产等等，也可以用来生产乳制品发酵中抵御噬菌体的材料，在新冠疫情中，也有基于CRISPR的新冠病毒诊断试剂盒获批……

张锋不愧为美国科学界的华裔“天才”。

打开成功之门的“捷径”

通过美国医疗 科技 媒体STAT关于张锋的报道，我们可以一窥张锋的成长之路。

11岁时，张锋随母亲来到美国。刚从中国来到美国，他的母亲起初靠干一些粗活，比如在一个 汽车 旅馆做保洁来养家糊口--尽管她是一位计算机工程师。张锋的父亲是中国某 科技 大学的一位行政人员，有几年的时间并没有和他们一起在美国生活。

因为一场电影，张锋的人生从此开始改变。

1993年，身在美国的张锋看到了《侏罗纪公园》，在他心里种下了一颗种子，1993年，身在国内的你在做什么

在张锋生活的爱荷华州得梅因市，中学的生物课还停留在解剖泡在福尔马林里的青蛙的阶段。而张锋却幸运地参加了一个分子生物学的“周六提高计划”。那里的指导老师很聪明，他们发现，让一群孩子全心投入的一个明智选择就是给他们看电影《侏罗纪公园》。父母从事计算机科学的背景，让张锋对编程很感兴趣，而这部1993年播出的科幻电影，则在张锋的心里种下一颗种子。他意识到，一个有机体的遗传指令可以被改写，由此改变它的特性，就像父母编写计算机代码一样。

1995年，张锋得到了第一个对活体生物DNA进行编程的机会，他那时已经高中二年级的学生。学校当时有一个“天才学生项目”，负责老师问张锋是否愿意课后去学校附近的卫理公会医院一个基因治疗实验室当志愿者。张锋回忆，那时他关于现代生物学的知识几乎为零，但实验室主任约翰·利维博士并不介意他是个“小白”。

每天下午，利维博士会坐在他的休息室，一边喝茶一边在白板上板书，解释有关分子生物学的一些概念。张锋很快就学会了关键技术，并在他的热身项目中取得成功：使用病毒将水母中的绿色荧光蛋白基因移动到人的黑色素瘤细胞中，而绿色荧光蛋白是可以在黑暗中发出荧光的。

这虽然不是复活恐龙，但张锋已经在编辑一个物种的细胞。这一年剩下的时间里，张锋研究荧光蛋白能否保护DNA免受紫外辐射的伤害，这种荧光蛋白能够吸收可能致癌的紫外辐射。他发现荧光蛋白可以做到，这一实验成为张锋参加爱荷华州科学展览的项目，吸引了很多“像我这样的孩子”，张锋回忆道，“我们都是怪才（geeky）”。

高三那年，张锋在利维的指导下使用病毒做了另外一个遗传学项目，这个项目让他于2000年获得英特尔科学天才奖（Intel Science Talent Search），并获得5万美元的奖学金。

“这个项目让我滋生了治疗艾滋病的宏大想法。”张锋说。这不是一个高中生能够做到的事情，而且一个高中生也没有条件去推进荧光蛋白的工作，试验阻止紫外光能否预防黑色素瘤。但他在这个过程中学习到了宝贵的一课：有趣的科学发现往往得不出什么结果。

从张锋在高中的经历可以看出，他在中学时期，就已经开启了生物学研究的大门。而此时在他的出生地——中国，他的同龄人正在全力以赴准备高考，为应试教育的最后冲刺做着无以复加的准备。当张锋在慢慢走进科学研究大门、获得英特尔科学天才奖的时候，中国的高中生们还在日以继夜的刷题，准备着一场场模拟考试。

应试教育还是应社教育

张锋的成功带给我们的思考

张锋在基因治疗实验室当志愿者的时候，常常晚归，他的母亲需要在车子里等好几个小时。一个秋天的傍晚，夜幕逐渐降临，驱车回家的途中，他们看到落叶纷扬飘零的一幕。母子俩被眼前的景色所触动，叶子在短短几个月的时间内就会死去或处于垂死的边缘。他们聊到一个人的时间是多么有限，母亲回忆道，一个生命是多么容易就了无痕迹地从这个世界消失。

"尽我所能，有所作为，对我来说似乎很重要。"张锋说。

从张锋到目前的人生经验，特别是他移民美国至今的成绩，似乎可以对应“因我所能，有所作为”这八个字。但张锋的成功，能带给我们什么思考？

是应社教育和应试教育理念的不同。

在应试教育的理念中，决定人生命运的考试，是最重要的节点。小升初，中考，高考。 应社教育的思路，就是尽量早的找到，比如在中学阶段就找到合适个人发展的几条备选赛道，及早去接触、尝试、准备，为自己在将来进入 社会 、进入职场，无论是做公职人员、做科研或者其他职业提前准备。

再回到张锋的例子。

张锋到美国之前，接受的是国内经典的应试教育。到美国后，接受了当地的中学教育。

但他作为新移民的一员，其成长远远快于其他人。原因何在？

一个关键就是他通过学校的“天才学生项目”，获得到卫理公会医院一个基因治疗实验室当志愿者的机会。一个中学生，就这样敲开了科学研究的大门，并凭借自己的聪明才智，获得英特尔科学天才奖（Intel Science Talent Search），让他的科研之路有了新的起点。

想想张锋在国内的同学们，同样的年纪，同样的年份，那时候在干嘛。张锋在研究荧光蛋白，他们在每天上早自习、晚自习，在做试卷。张锋获得英特尔科学天才奖并获得5万美元的奖学金，早早选定自己人生道路的时候，他们在为即将到来的高考，和要报哪所学校、哪个专业挠头。当张锋进入大学、开启加速人生时，他们有的还处于刚进大学的迷茫期，有的可能因为成绩不理想而正在复读……

人生的分水岭就此产生。

考虑到每个人的天分、性格、兴趣，以及家庭教育和背景，“最”适合自己发展的人生赛道不会太多。应社教育的思路，就是在中学阶段就找到合适个人发展的几条备选赛道，及早去接触和尝试。赛道的规划，是以人的整个职业生涯来规划，而不仅仅是围绕在高考、考研、毕业求职这样的重大节点。只有早一点找到适合自己发展的道路，才能在进入 社会 和职场后，占得先发优势，并不断维持这种优势。张锋就是这种模式的经典例子。

为普通家庭的普通孩子，提供更多这样的机会，不仅是为了发掘出更多张锋式的杰出科学家，也是为了让作为普通家庭的孩子，可以在人生之路上走的更加平顺。

CRISPRa基因过表达技术

上回说到，基因功能研究，最常用的策略就是功能获得和功能失活。基因过表达、基因干扰、基因敲除，这三板斧挥出去，配合下游的转录谱分析、表型分析，基因功能的神秘面纱，往往就能解开一角。

基因过表达技术，通常是指将目的基因的ORF构建到组成型启动子或组织特异性启动子的下游，通过载体转入某一特定细胞中，实现基因表达量增加的目的，可以使用的载体类型有Virus-Free转座子载体，慢病毒载体，腺病毒载体，腺相关病毒载体等多种类型。当基因表达产物超过正常水平时，观察该细胞的生物学行为变化，从而了解该基因的功能。

CRISPRa(转录激活)，作为基因过表达技术的新成员，是通过催化失活的Cas9（dCas9）连上转录激活子，来实现促进基因组特定位点的转录。

目前CRISPRa已经发展出好几个新版本。MIT的CRISPR先驱张锋通过改造dCas9和sgRNA优化了转录机器的招募，成功将RNA表达水平提升了一个数量级。张锋团队用自己的改良版CRISPRa激活了十个基因,研究显示，这些基因的转录都得到了两倍以上的增涨，许多基因的活性甚至有了几个数量级的增加。他们发现，CRISPRa离转录起始位点越近，转录激活的效果就越强。如果CRISPRa靶向转录起始位点的上游（超过200bp），触发的转录就会更为温和，更接近生理水平。通过这一途径揭示了基因表达量与表型强度之间的线性关系。

加州大学的Jonathan Weissman研究团队在dCas9上融合了一连串短肽（也就是SunTag array），这些短肽相当于一套分子挂钩，能在细胞中招募多拷贝的转录激活子，生成强劲的信号。

综合看CRISPRa（基因激活）系统是用于转录激活内源性基因的强大工具。完整的CRISPRa系统包含三个组分，每个组分分别由单独的载体提供：gRNA/MS2表达载体，MS2/P65/HSF1和dCas9/VP64辅助载体。

gRNA/MS2表达载体，包括两个138-nt发夹RNA适体，形成噬菌体MS2衣壳蛋白的结合位点。这些发夹RNA适体与gRNA连接，有利于高效募集MS2-融合蛋白。

MS2/P65/HSF1辅助载体驱动由MS2，p65（NF-kB的反式激活亚基）和HSF1（人热休克因子1的激活结构域）组成的三结构域融合蛋白的表达。

dCas9/VP64辅助载体驱动催化失活变体dCas9和合成型VP64反式激活结构域融合蛋白的表达。

当这三种载体共转导细胞时，用户定制的gRNA可能会募集MS2/P65/HSF1（通过MS2结合发夹适体与gRNA连接）和dCas9/VP64（通过CRISPR/Cas9复合物组装） 到gRNA靶位点，从而组装出强大的SAM复合物。这些SAM复合物可通过VP64，p65和HSF1激活结构域之间的协同作用实现靶位点的强烈转录激活。

该载体系统可用于激活单个或一系列基因的转录，也可用于基因组的大规模筛选，使用gRNA序列文库来产生gRNA/MS2表达载体文库。 

Chavez A, et al. Highly efficient Cas9-mediated transcriptional programming[J]. Nature Methods, 2015, 12(4): 326-328.  

J Microbiol Biotechnol. 2017 Oct 28;27(10):1855-1866. doi: 10.4014/jmb.1705.05081.

CRISPR a vs ORF 传统过 表达 技术

相比于传统ORF稳转过表达技术，CRISPRa通过激活内源性启动子高效转录，从而促进基因表达，不需要额外构建外源性表达元件，不受基因转录本大小的限制。

Kampmann M. (2018). CRISPRi and CRISPRa Screens in Mammalian Cells for Precision Biology and Medicine. ACS chemical biology, 13(2), 406–416.

因此，CRISPRa技术在长转录本基因过表达研究、单基因多转录本的整体激活研究具有不可替代的优势。

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现在非常火热的CRISPER技术是下列哪种技术？

Science杂志发表了关于CRISPR技术的突破性成果，确定了一个靶向RNA而非DNA的新型CRISPR系统特征。来自麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所、麻省理工学院、美国国立卫生研究院、罗格斯大学新布朗斯维克分校和俄罗斯Skolkovo理工学院的研究人员共同取得了这项研究成果，拥有“CRISPR/Cas之父”之称的著名科学家张锋也是这项研究的主导者之一。这再次让CRISPR技术成为了人们瞩目的焦点。

CRISPR/Cas这项明星技术自问世以来，已经吸引了无数欢呼和掌声。在短短两三年之内，它已经成为了生物科学领域最炙手可热的研究工具，并有近700篇相关文献发表。CRISPR/Cas技术的先驱者们，包括张锋以及两位美女科学家珍妮弗.杜德娜和艾曼纽.夏邦杰，更是获得了众多荣誉和奖项。

那么，获得科研人员们如此青睐的CRISPR/Cas技术究竟是什么？它的原理是怎样的？张锋博士的新突破又是什么？本文将带您快速了解CRISPR/Cas技术的原理与应用。

CRISPR/Cas技术是什么？

CRISPR/Cas系统是一种原核生物的免疫系统，用来抵抗外源遗传物质的入侵，比如噬菌体病毒和外源质粒。同时，它为细菌提供了获得性免疫：这与哺乳动物的二次免疫类似，当细菌遭受病毒或者外源质粒入侵时，会产生相应的“记忆”，从而可以抵抗它们的再次入侵。CRISPR/Cas系统可以识别出外源DNA，并将它们切断，沉默外源基因的表达。这与真核生物中RNA干扰（RNAi)的原理是相似的。正是由于这种精确的靶向功能，CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编辑工具。在自然界中，CRISPR/Cas系统拥有多种类别，其中CRISPR/Cas9系统是研究最深入，应用最成熟的一种类别。CRISPR/Cas9是继锌指核酸内切酶（ZFN）”、“类转录激活因子效应物核酸酶（TALEN）”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。凭借着成本低廉，操作方便，效率高等优点，CRISPR/Cas9迅速风靡全球的实验室，成为了生物科研的有力帮手。在TALEN和ZFN的时代，科学家们往往要花费重金，把基因编辑工作交给生物公司。而现在，在实验室里，人们就可以使用CRISPR/Cas9技术轻松的实现基因编辑。

CRISPR/Cas9如何工作？

CRISPR簇是一个广泛存在于细菌和古生菌基因组中的特殊DNA重复序列家族，充当了防御外源遗传物质的“基因武器”。CRISPR全称Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的规律间隔的短回文重复序列，分布在40%的已测序细菌和90%的已测序古细菌当中。图1展示了完整的CRISPR位点的结构。其中，CRISPR序列由众多短而保守的重复序列区（repeats）和间隔区（spacer）组成。重复序列区含有回文序列，可以形成发卡结构。而间隔区比较特殊，它们是被细菌俘获的外源DNA序列。这就相当于细菌免疫系统的“黑名单”，当这些外源遗传物质再次入侵时，CRISPR/Cas系统就会予以精确打击。而在上游的前导区（leader）被认为是CRISPR序列的启动子。另外，在上游还有一个多态性的家族基因，该基因编码的蛋白均可与CRISPR序列区域共同发生作用。因此，该基因被命名为CRISPR关联基因（CRISPR associated，Cas）。目前已经发现了Cas1-Cas10等多种类型的Cas基因。Cas基因与CRISPR序列共同进化，形成了在细菌中高度保守的CRISPR/Cas系统。

图1：CRISPR位点结构图

那么，CRISPR序列是如何与Cas蛋白配合来执行防御功能的呢？整个过程大体分为3步。

1.外源DNA俘获：“黑名单”登记

简单来说，CRISPR/Cas系统在这一步实现了一个“黑名单登记”功能。CRISPR/Cas系统将识别出入侵者的“名字”（PAM）并找到它的“身份证”（原间隔序列），然后把入侵者身份信息作为“档案”（间隔序列）记录到“黑名单”（CRISPR序列）中。图2展示了第一阶段的工作原理。当噬菌体病毒首次入侵宿主细菌，病毒的双链DNA被注入细胞内部。CRISPR/Cas系统会从这段外源DNA中截取一段序列作为外源DNA的“身份证”，然后将其作为新的间隔序列被整合到基因组的CRISPR序列之中。因此，这段与间隔序列对应的“身份证”被称为原间隔序列（protospacer）。然而，“身份证”的选取并不是随机的。原间隔序列向两端延伸的几个碱基都十分保守，被称为原间隔序列临近基序（protospacer adjacent motif，PAM）。PAM通常由NGG三个碱基构成（N为任意碱基）。病毒入侵时，Cas1和Cas2编码的蛋白将扫描这段外源DNA，并识别出PAM区域，然后将临近PAM的DNA序列作为候选的原间隔序列。随后，Cas1/2蛋白复合物将原间隔序列从外源DNA中剪切下来，并在其他酶的协助下将原间隔序列插入临近CRISPR序列前导区的下游。然后，DNA会进行修复，将打开的双链缺口闭合。这样一来，一段新的间隔序列就被添加到了基因组的CRISPR序列之中。

图2：第一阶段：外源DNA俘获

2. crRNA合成：”军火“制造

战争总需要武器，CRISPR/Cas系统也要制造足够的”军火“来打击入侵者。目前的研究表明，CRISPR/Cas系统共有三种方式（Type Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）来制造”军火“。CRISPR/Cas9系统属于Type Ⅱ，是目前最成熟也是应用最广的类型。因此，图3将重点介绍CRISPR/Cas9的原理。当入侵者到来，CRISPR序列会在”指挥官“（前导区）的调控下转录出两种“军火材料”：pre-CRISPR-derived RNA (pre-crRNA)和trans-acting crRNA（tracrRNA）。其中，tracrRNA是由重复序列区转录而成的具有发卡结构的RNA，而pre-crRNA是由整个CRISPR序列转录而成的大型RNA分子。随后，pre-crRNA，tracrRNA以及Cas9编码的蛋白将会组装成一个小型“兵工厂”。它将根据入侵者的类型，选取对应的“身份证”（间隔序列RNA），并在RNase Ⅲ的协助下对这段间“身份证”进行剪切，最终形成一段短小的crRNA（包含单一种类的间隔序列RNA以及部分重复序列区）。crRNA，Cas9以及tracrRNA组成的复合物，就是最终的“战斗武器”。

图3：第二阶段：crRNA合成

3.靶向干扰：强大火力，精确打击

武器已经制造完成，战争就要打响。图4展示了靶向干扰的过程。Cas9/tracrRNA/crRNA复合物就像是一枚制导导弹，可以对入侵者的DNA进行精确的打击。这个复合物将扫描整个外源DNA序列，并识别出与crRNA互补的原间隔序列。这时，复合物将定位到PAM/原间隔序列的区域，DNA双链将被解开，形成R-Loop。crRNA将与互补链杂交，而另一条链则保持游离状态。随后，Cas9蛋白发起猛烈攻势，其HNH酶活性将剪切crRNA互补的DNA链，而其RuvC活性位点将剪切非互补链。最终，Cas9强大的火力使双链断裂（DSB）形成，外源DNA的表达被沉默，入侵者被一举歼灭。

图4：第三阶段：靶向干扰

如何应用CRISPR/Cas技术？

CRISPR/Cas是进行基因编辑的强大工具，可以对基因进行定点的精确编辑。在向导RNA（guide RNA，gRNA）和Cas9蛋白的参与下，待编辑的细胞基因组DNA将被看作病毒或外源DNA，被精确剪切。但是，CRISPR/Cas9的应用也有一些限制条件。首先，待编辑的区域附近需要存在相对保守的PAM序列（NGG）。其次，向导RNA要与PAM上游的序列碱基互补配对。图5展示了最基础的两种CRISPR/Cas9技术应用。以基因敲除为例，在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA（向导RNA1，向导RNA2），将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中，向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列，Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。而生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制，会将断裂上下游两端的序列连接起来，从而实现了细胞中目标基因的敲除。如果在此基础上为细胞引入一个修复的模板质粒（供体DNA分子），这样细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变。这样就可以实现基因的替换或者突变。对受精卵细胞进行基因编辑，并将其导入代孕母体中，可以实现基因编辑动物模型的构建。随着研究的深入，CRISPR/Cas技术已经被广泛的应用。除了基因敲除，基因替换等基础编辑方式，它还可以被用于基因激活，疾病模型构建，甚至是基因治疗。

图5：CRISPR/Cas9技术应用

张锋博士的最新突破是什么?

这是一项复杂的研究，但是我们简单来说，研究人员们发现了一个新兴CRISPR系统。事实上，除了CRISPR/Cas系统，CRISPR系统的类型众多。Cas9仅仅是其中一类作用蛋白，CRISPR序列理论上还可以跟许多其它蛋白共同作用。但是长期以来，这些系统并未被验证可以进行有效的基因编辑。CRISPR/C2c2就是张锋博士的团队最新发现的可以被用作基因编辑的CRISPR系统。图6展示了这个系统的工作模型。这个系统的突破性意义就在于它可以在RNA级别进行编辑，而不是传统的DNA级别的编辑。该系统基本的工作流程与CRISPR/Cas9类似，还是借助CRISPR序列的”黑名单“系统对入侵者进行打击。但是crRNA形成的方式与CRISPR/Cas9系统不同。C2c2蛋白会与成熟的crRNA复合，在不借助tracrRNA的情况下与外源单链RNA结合，crRNA则会与PFS片段（类似PAM）附近的互补区域杂交。最后，外源单链RNA会被剪切，其基因表达也会被沉默。然而，被剪切的外源RNA有可能会触发宿主细胞RNA的剪切，从而引入宿主细胞凋亡机制。这种只靶向作用于RNA并协助执行基因组指令的能力能够让人们特异性地和高通量地操纵RNA，以及更加广泛地操纵基因功能。这有潜力加快理解、治疗和预防疾病的步伐。张锋博士说，“C2c2为强大CRISPR工具的一个全新领域打开大门。对C2c2而言，它有大量的可能性，而且我们兴奋地将它开发为一种用于生命科学研究和医学的平台。”

一口气告诉你，基因编辑技术的“前世今生”

DNA是绝大部分生物的遗传信息的储存介质，由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四种核苷酸组成，并且严格遵守A-T,C-G的碱基互补配对原则，DNA链上这四种核苷酸的排列信息就是生物体的主要遗传信息。基因是控制生物性状的基本遗传单位，即一段携带特定遗传信息的DNA序列，主要通过翻译出对应的效用蛋白发挥功能。

图1. DNA的结构示意图（图片来自网络）

基因异常往往导致各种疾病的发生：如在超过50%的人类肿瘤中都能检测到编码p53蛋白的基因的突变（丧失活性）；Rag1等基因的突变会导致重症联合免疫缺，患儿终生不能接触外界空气，只能终生生活在隔绝容器内（图2）。

图2. 终生生活在隔离容器内的美国男孩大卫·维特

什么是基因编辑技术？

基因编辑技术是指特异性改变目标基因序列的技术。目前主要的基因编辑技术都是基于如下原理发展而来的：在细胞内利用外源切割复合体特异性识别并切割目的基因序列，在目的基因序列上制造断裂端，这种断裂端随即会被细胞内部的DNA损伤修复系统修复，重新连接起来。在此修复过程中，当有修复模板存在时，细胞会以修复模板为标准进行修复，从而实现对基因序列的特异性改变，即基因编辑（图3）。

图3 基因编辑技术的基本原理示意图

要实现基因编辑，外源切割复合体必须满足两个条件：

① 切割复合体必须可以特异性地识别和结合至目的基因DNA序列上，这是各种基因编辑技术的主要差异所在，也是发展基因编辑技术的最大困难所在；

② 切割复合体必须具有切割DNA，制造断裂端的功能；

基因编辑技术的简要发展历史

自1953年沃森和克里克两位科学家提出DNA的双螺旋结构以来，人们一直都在积极探索着高效便利的基因编辑技术：

上世纪80年代，科学家在小鼠胚胎干细胞中通过基因打靶技术实现了基因编辑（2007年诺贝尔生理医学奖），但此技术在其余细胞内效率极低，应用受到了极大的限制；

上世纪90年代，基于细胞内不同锌指蛋白可特异性识别DNA上3联碱基的特征以及核酸酶FokI二聚化后可以切割DNA的特点，人们通过锌指蛋白偶联Fokl的策略逐渐发展出了一种新的基因编辑技术--锌指蛋白核酸酶技术（Zinc Finger Nucleases, ZFNs）。但此技术专利被公司垄断，且锌指蛋白数量有限，可以识别的DNA序列数量有限，其应用也受到了很大的限制。

随后，基于改造后的植物病原菌中黄单胞菌属的TAL蛋白可以特异性识别DNA中一个碱基的特性，人们又发展出了新的基因组编辑技术--转录激活样因子核酸酶技术（Transcription activator-like effector nucleases, TALENs）。此技术理论上可以实现对任意基因序列的编辑，但其操作过程较为繁琐，一定程度上限制了其应用。

近年来，基于细菌规律成簇的间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR)系统发展而来的新一代基因组编辑技术--CRISPR/Cas9技术，使得基因编辑变得更为简易、高效。值得提出的是，华裔科学家张锋教授对于CRISPR/Cas9技术的发展与应用作出了重要贡献，是目前这一领域的领军人物之一。

基因编辑技术的最新发展

由于目前最为广泛应用的CRISPR/Cas9技术仍然存在着无法对所有基因序列实现编辑、可能错误编辑其余基因、切割复合体中RNA容易降解导致复合体不稳定等一些不足之处，人们主要从以下几个方面优化发展新的基因编辑技术：

1) 优化CRISPR的蛋白序列，使得其可以识别更多的序列，并且能够更为有效地编辑基因序列；

2) 寻找新的具有特异性识别和切割目的基因序列的蛋白。如张锋教授在去年报道的Cpf1，已被证实为一类新的基因编辑工具；而目前引起广泛争议和关注的我国河北科技大学韩春雨教授在今年初报道的NgAgo，如果其真的可以实现细胞内的基因编辑，也是一类新的基因编辑工具，是目前各种基因编辑工具的有效补充；近期，我国南京大学学者又开发了一类新的基因编辑工具—SGN，也引起了学界的广泛关注。

基因编辑技术的应用

随着CRISPR/Cas9等新型基因编辑技术的迅猛发展，基因编辑技术在诸多方面都有着极为广阔而光明的应用前景：

1) 畜牧业和农业方面，现在已经在包括鸡、牛、羊等重要家畜和玉米、水稻、棉花等重要经济作物中实现了基因改造，有效地提高了这些家畜和经济作物的产量和质量；

2) 医疗健康方面，一方面，对于先天性基因突变致病患者，利用基因编辑技术改正突变的基因，可以为这些疾病的彻底根治提供希望。如在2013年，我国科学家上海生化细胞所的李劲松教授就利用CRISPR/Cas9技术治愈了小鼠的白内障遗传疾病。另一方面，基因编辑技术还有望为彻底治愈一些重大疾病的提供希望，如利用基因编辑技术改造艾滋病病毒HIV-1携带者免疫细胞中的CCR5基因，可以使得细胞不再受HIV-1病毒感染，有望成为彻底战胜艾滋病的有力武器。

结语：

迅猛发展的基因编辑技术正在给我们的生活带来巨大的变化，在享受先进科学技术带来的种种福利的同时，我们也必须进一步加强对于基因编辑技术的基础研究以及应用管理，以确保这一先进技术得到正确而有效地应用。

编辑：何郑燕  鲁凡英

（专家：吴剑锋，厦门大学生命科学学院博士，科普中国微平台原创首发）