不到5年，CRISPR基因编辑技术彻底改变了现代生物学的面貌和发展步伐。2012年CRISPR首次被报道出能切除和有替代遗传物质的能力，直到今天，科学家已经发表了5,000多篇跟CRISPR有关的论文；生物医学研究人员越来越多地利用CRISPR创建更好的疾病模型；仍然还有不计其数的公司涌现出来，试图对基于该技术的新药、治疗手段、食品、化学品和材料进行商业化运作。
当我们提到CRISPR时，实际上指的是CRISPR/Cas9，这是由单股RNA短链以及能够高效切割DNA的酶组成的核糖体蛋白复合物。这是一种革命性技术，颠覆了现状。现在CRISPR已被用于治疗人类癌症，治疗遗传性疾病（比如镰状细胞性贫血和β-地中海贫血）最快可能在明年进入临床试验阶段。
经典版本的CRISPR有些笨拙、不可靠，而且还有点危险。它无法靶向到基因组的任意位置，并且它有时候会在错误的地方切割。而且，它没有「关闭」选项。
即便有这些局限，CRISPR仍将继续成为2018年及以后科学研究的主力工具。因为更新颖、更闪亮的基因编辑工具已经亮相，并有望超越第一代的CRISPR了。所以，如果你才刚刚搞明白CRISPR是怎么回事，那么请做好准备吧，因为基因编辑2.0已经来了。
CRISPR的靶向切割动作是关键的特征，但当Cas9切割一个生物体的双股DNA时，这个基因编辑器的风险是：细胞在修复巨大的基因损伤时可能会犯错。科学家也一直在设计新方法，以期用更安全的方式达到相同的效果。
一种方法是让Cas9酶产生突变，但仍能与DNA结合，只是「剪刀」不再发挥作用。然后，其他蛋白（比如那些能够激活基因表达的蛋白）便可以跟废了武功的Cas9结合，让它们在不改变DNA序列的情况下打开或关闭基因（有时候还会发出光或化学信号）。不像CRISPR最适合解决简单的点突变疾病，这种「表观遗传学编辑」可以用来治疗由一系列遗传因素引起的病症。就像不久之前，索尔克研究所的研究人员就使用了这样的系统来治疗小鼠身上的数种疾病，包括糖尿病、急性肾病以及肌营养不良。
来自哈佛大学和博德研究所的科学家们对CRISPR系统进行了一个胆大的调整：编辑单个碱基对，一次一个。为了做到这一点，他们不得不设计出一种在自然界中不存在的全新酶，它可以通过化学机制把A-T核苷酸对转化为G-C核苷酸对。这个微小变化将带来巨大的影响。哈佛大学化学家大卫·刘的实验室正在从事这项研究工作，据估计，在人体已知的32,000种致病性点突变中，大约有一半可以通过这种单个转换来进行修复。
“我不希望让公众产生一种错误的观点，认为我们可以把任何人或任何动物乃至培养皿中任何细胞的任何DNA序列转换为任何其他DNA序列，”大卫·刘说，“但即使在我们如今所处的位置，我们也承担着很大的责任。这里的重大问题在于，这个阶段还将发展出多大的能力？以及我们能够多快地把这些技术进步转化为社会效益？”
细菌进化出CRISPR是把它作为一种原生的防御机制。它的作用就是找出外源DNA并彻底根除。这相当于汽车只有油门，没有刹车，具有潜在的危险性，尤其是对临床应用而言。CRISPR在细胞中停留的时间越长，找到某种看起来像是目标的基因并将之切除的机会就越多。
为了尽量减少这些所谓的脱靶效应，科学家已经开发出了一些新的工具，以更严密控制CRISPR的活动。
到目前为止，研究人员已经找到了21种独特的天然抗CRISPR蛋白，这些小分子能够阻断CRISPR。不过，研究人员现在只知道其中一小部分的工作原理。一些蛋白可以直接跟Cas9结合，阻止它跟DNA结合。还有一些蛋白可以激活其他酶，它们会跟Cas9争夺基因组上的空间。目前，来自加州大学伯克利分校、加州大学旧金山分校、哈佛大学、博德研究所和多伦多大学的研究人员正在试图找出办法把这些天然的阻断机制变成可编程的开关。
在医学应用之外，这些技术对基因驱动的持续发展也将是至关重要的，它能够快速在种群间传播特定的基因修饰，能够以某种方式推动进化，这将是一件强有力的工具，用以对抗从疾病到气候变化的各种威胁。研究人员考虑利用基因驱动灭绝传播疟疾的蚊子，以及根除有害的入侵物种。但是，在大自然中，基因驱动有可能失去控制，并可能带来可怕的后果。就在今年，美国国防部高级研究计划局拿出6,500万美元，用于寻找更安全的基因驱动设计，其中就包括反CRISPR的阻断机制。
DNA中的缺陷如何引起人类疾病，是很多科学家至今所不理解的。即使科学家知道哪些基因被编入了一个细胞的「行军」命令中，他们也很难知道这些命令在哪里完成传递，以及它们是如何在「行军」过程中被传译的。这就是为什么哈佛大学和博德研究所的团队会在CRISPR共同发现者张锋的领导下，致力于研发一种靶向RNA而非DNA的新Cas酶。
由于RNA是细胞用来合成蛋白的指令，它们携带了更多有关特定疾病遗传基础的信息。而且，由于RNA不断变化，所以对其进行修改将有助于治疗短期病症，比如急性炎症或创伤。研究人员把这套系统命名为REPAIR，意思是「可编程的腺嘌呤到肌苷RNA编辑」。目前，REPAIR仅适用于一种核苷酸转换，下一步的工作是搞清楚如何完成另外11种潜在组合。
科学家一直在寻找新的Cas酶。博德研究所的团队正努力描述cpf1的特性，这是Cas的一个版本，它在切割DNA后可以留下粘性的末端，而不是平的末端。今年2月，加州大学伯克利分校的一个研究小组发现了CasY和CasX，这是迄今为止最紧凑的CRISPR系统。在未来数月和数年，研究人员预计会有更多的发现。
CRISPR/Cas9是最好的CRISPR，抑或只是在一代科学家的想象中抢占了先机，这个问题的答案只能留待时间验证。“我们不知道，哪个系统将能对不同的应用产生最好的效果，”梅根·赫斯特拉瑟说道，她曾在CRISPR共同发现者詹妮弗·杜德娜的实验室从事博士研究，目前任职于创新基因组学研究所，“所以，就目前而言，我认为大家努力推进所有这些工具是合理的。”
要想让这一代的基因编辑器走出实验室，真正应用于人类患者、粮食蔬菜以及携带疾病的害虫，还需要多年的努力。而前提是，它们不会被基因编辑3.0淘汰。
来源丨WIRED
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