CRISPRCas9系统基因编辑技术——解读2020年诺贝尔化学奖

6生物学通报2021年第56卷第1期CRISPR/Cas9系统基因编辑技术—王海帆1

解读2020年诺贝尔化学奖**

王予涵2 初明1李燕1 王月丹2北大附中实验学校北京100032)(1北京大学基础医学院免疫学系北京100191

摘要法国科学家卡彭蒂耶和美国科学家杜德纳因在基因编辑技术研究方面的工作成

果，获得了

2020年诺贝尔化学奖。她们的主要工作是揭示了

CRISPR/Cas9的结构与功能。

CRISPR/Cas系统是细菌清除入侵外源性DNA的适应性免疫应答系统，可通过CRISPR系统

捕获噬菌体的DNA序列，进行记忆和识别并清除病毒的感染。基于CRISPRVCas技术进行基

因编辑，具有通用性高、精确度高、实验周期短等优势，目前已广泛应用于基因研究、生物育种

及人类疾病的基因等方面，带来了巨大的学术成果和经济效益。但是，在该技术的应用中，

也存在着脱靶等技术性问题和人类社会的伦理问题，这也需要依靠人类的智慧和科技的进步

解决，让CRISPR/Cas技术这把基因的“魔剪”成为造福人类健康和生活的“神器”。关键词基因编辑

CRISPR/Cas诺贝尔化学奖中国图书分类号：Q783.1

文献识别码：A2020年10月7日，瑞典卡罗林斯卡大学医

学院诺贝尔奖评选委员会宣布，2020年诺贝尔化

学奖授予CRISPR/Cas9技术的发明者一一来自法

国的微生物学家埃马纽埃尔•卡彭蒂耶（Em-

长久以来，人们一直都没有发现细菌清除病

毒感染的具体机制。直至1987年，日本科学家石

野良纯（Ishino

Y)在对细菌的研究中发现，在大肠

杆菌碱性磷酸酶的编码区下游，存在着一段包括

29个碱基大小的重复片段和32~33个碱基组成

的非重复序列相互间隔串联排列所组成的重复结

构区域[w]。由于技术条件所限，这种结构区域的

功能在当时并未明确，也未引起研究人员的关注。

随着现代分子生物学和测序技术的发展，在对细

菌的测序工作中，人们发现这种串联性重复结构

区域在细菌中广泛存在。为了规范研究，人们将

这种串联性重复结构区域命名为成簇规律间隔性

短回文重复序列（clustered

regul

-arly

interspaced

manuelle

Charpentier)和来自美国的分子生物学家

詹妮弗.杜德纳（Jennifer

A.

Doudna)，以表彰她们

在基因编辑技术研究与应用领域中所作出的重要

贡献。诺贝尔奖是当今世界上授予科学家的最高学

术荣誉奖励，只有对人类社会和科学发展具有重

大影响力的科研成果及其完成人才能获得如此殊

荣。卡彭蒂和杜德纳研究的基因编辑技术是什么？

该基因编辑技术对人类又有哪些影响和贡献？在

此，一起学习了解一下。1 细菌的免疫与CRISPR/Cas9系统细菌是一种常见的微生物，体积很小，在动物

和植物等其他生物体内均有大量的寄生性细菌。

但是，在细菌体内也会有寄生物，这就是被称为噬

菌体的病毒。当人体被细菌感染后，人体的免疫系

统就会对体内寄生的细菌进行清除，这就是免疫

反应的现象。同样，细菌被噬菌体感染后，也会启

动其拥有的细菌免疫系统，清除病毒的感染。short

palindromic

repeats)，英文缩写为

CRISPR[3】〇

后来，人们通过对质粒转染细菌的研究，发现这种

串联性重复结构区域的功能为清除进人细菌内的

噬菌体和质粒等携带的外源性DNA分子即

细菌发挥适应性免疫应答效应的系统[7]。细菌的CRISPR结构一般是由编码短回文重

复区和间隔区序列组成的串联性重复结构，并与

其上游编码CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated

protein，Cas蛋白）的Cas基因、前导区共同组成*基金项目：国家重大科技专项课题（2018ZX09303047);北京大学基础医学院创新人才培养项目*

*通信作者

2021年第56卷第1期生物学通报7CRISPR/Cas系统[丨](图1)。在这个系统中，(：批基

是发现最早、结构最简单、研究最明确及应用最为

因具有非常丰富的多态性，其编码的Cas蛋白具有 广泛的CRISPR/Cas系统。核糖核酸结合的结构域，同时还具有核酸内切酶和

2

CRISPR/Cas基因编辑技术的发明与发展解旋酶的活性w。前导区实际上就是CRISPR序列

基因是编码一条多肽链或功能RNA所需核

的启动子区域，负责结合转录酶，启动CRISPR序列

苷酸序列的总和，是记录支持着生命活动基本构

的转录。CRISPR序列中的重复序列一般由21~48

造和性能信息的载体，决定了一个生命的生存、生

个碱基组成回文序列，可形成发卡结构；而间隔区

长和凋亡等全部的生理过程和表型。则是细菌捕获的来自质粒或噬菌体的外源性DNA

自从发现核酸和基因以来，人们就一直在尝

片段，即细菌建立的DNA序列“黑名单”。试通过基因编辑的方式，对基因进行改造，从而

Cas基因 重复回文重*回文 *复回文实现根本性改变或调节生命活动的目的。在

CRISPR/Cas9系统并应用于编辑基因之前，人们已

经在大量使用梓指核酸酶（zinc

finger

nucleases,

ZFNs)及转录激活样效应因子核酸酶（transcription

activator-like

effector

nucleases,TALENs)等技术，

通过可与特定DNA序列结合的核酸酶靶向特异

此系统是如何帮助细菌消灭人侵的外源性

性的DNA序列，进行基因的编辑。但是，由于这

DNA分子的？在此，笔者以CRISPR/Cas9系统为

个过程需要核酸酶蛋白分子与DNA的特异性结

例进行简要说明。在外源性DNA (例如噬菌体

合，每次编辑时，均需要按照耙点序列的不同，重

DNA)首次进人细菌时，细菌会将外源性DNA的

新设计和构建不同的核酸酶蛋白，工作流程复杂，

一段序列整合到其自身基因组CRISPR结构中的

成本很高，单一实验室往往很难完成，因此，其应

间隔区中，此过程称为适应。当具有同样DNA序

用范围受到了很大的制约，往往只能用于实验室

列的噬菌体再次感染细菌时，CRISPR基因就会被

的科学研究工作。激活转录生成一系列CRISPR

RNA(crRNA)，每一

通过研究，人们发现CRISPR/Cas9系统导致

条crRNA均包含一段由之前感染的外源性DNA

的发生双链断裂的DNA分子，也可通过易于发生

序列转录而来的间隔序列（“黑名单”序列），此过

错误的非同源末端连接的方式进行修复，但这种

程称为表达。接着，细菌内的一种被称为反式激活

修复往往会导致基因敲除、敲入和染体转位等

crRNA (tracrRNA)的分子，会分别与crRNA和

编辑效应。Cas9蛋白结合，形成具有酶活性的RNA/蛋白酶

2011年，卡彭蒂耶团队发表了第1篇关于

复合物。通过碱基的互补配对作用，这个复合体可

CRISPR/Cas9系统完整结构的论文™。他们通过

和带有与crRNA序列相同的外源性DNA分子结

基因分析等实验研究发现，在细菌清除外源性

合，并通过Cas9的核酸内切酶活性，分别切割与

DNA过程中，共有4个组成构件参与，分别是一

crRNA互补配对结合的DNA链及其互补链，使

种被称为Csnl的蛋白质分子（即Cas9)、crRNA、

DMA分子发生双链断裂，从而降解进人细菌的外

tracrRNA和一种RNA酶(RNA酶瓜）。但在这篇论

源性DNA分子，干扰噬菌体对细菌的感染，此过

文中，对于这4种成分的具体功能，卡彭蒂耶并未

程称为干扰。给出答案。论文发表后，引起了美国加州大学伯克

通过识别、转录和干扰3个步骤，细菌即可通

利分校杜德纳教授的关注。2012年，杜德纳与卡彭

过免疫记忆的方式，特异性地识别噬菌体的DNA

蒂耶联手在《科学》上发表论文[n]，揭示了

Cas9是

序列，并将其降解，从而起到保护细菌正常生存和

具有RNA引导下DNA内切酶活性的蛋白质分

繁殖的作用。子，并在体外非细胞体系中，证实了该分子具有切

目前，已经发现的CRISPR/Cas系统主要分为

割任意DNA分子序列的能力，具有修改基因的活

两大类，其中2类CRISPR/Cas系统都只有一个

性:12]。这也是杜德纳和卡彭蒂耶获得诺贝尔化学

共同的效应蛋白酶—Cas9。CRISPR/Cas9系统奖的主要成就。

8生物学通报2021年第56卷第1期但是，由于在实验中遇到了一些技术性的困

难，杜德纳和卡彭蒂耶团队并未能在细胞内成功

地完成基因编辑的工作，这也是最终该成果未能

获得诺贝尔医学或生理学奖的重要原因。美国华

裔科学家张峰在看到卡彭蒂耶论文之后，也开始

积极研究基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术，于

2013年最终在活体细胞内成功地实现了基因编

辑，并且还在不断发展和改进着以CRISPR/Cas

系统为基础的基因编辑技术，使人们对细胞的基

因编辑技术不断简化和实用。3

CRISPR/Cas基因编辑技术的应用由于CRISPR/Cas技术中使用的Cas蛋白分

子具有切割任意DNA序列的能力，具有非常好的

通用性和广泛的适用范围，在使用时不再需要像

HBB基因进行编辑修饰，在P-地中海贫血

症的患者中取得了巨大的成果，使这种遗传性血

红蛋白缺陷病的治愈成为现实。此外，CRISPR/

Cas技术在镰刀形红细胞贫血、血友病及亨

廷顿舞蹈病等遗传性疾病方面，也都取得了很大

的进展，成为基因的重要技术工具U4)。利用

该技术，人们还可对干细胞和CAR-T细胞等免疫

细胞进行基因编辑，敲除与不良反应相关的

基因，从而提升干细胞和免疫细胞的效果，减

少副作用，在恶性肿瘤等疾病的中，取得了成

功，并且在不断地推广。4

CRISPfVCas技术存在的问题与展望在很短的时间内，CRISPR/Cas技术就在基因

编辑领域中取得了飞速的发展，但在造福于人类

的同时，该技术也存在一些问题，并且给人类社会

带来了挑战。首先，由于CRISPR靶向目的基因的引导片段

很短，只有几十个碱基，而人类的基因非常庞大有

数10亿个碱基对，所以，很容易发生引导片段识

别非目的基因序列而出现的脱靶现象，造成非目

的基因的受损，产生基因编辑相关的损伤。因此，

如何提升CRISPR/Cas系统识别和编辑基因的精

准度，是改善该技术应用的重要技术性问题:15]。另一方面，为了能让CRISPR/Cas系统的成分

发挥基因编辑功能，必须使用一定的递送方法让

其能进人细胞。目前，主要的递送方法包括物理递

送（例如，显微注射、电转导技术等）、化学递送

(例如，使用脂质体、纳米颗粒投递系统等）和生

物递送3种方式。其中，生物递送是临床基因

中最常用的递送方法，占临床基因的70%以

上。主要用于生物递送的载体是慢病毒、腺病毒和

腺相关病毒（AAV)。其中，AAV免疫原性和生物

学毒性都较低，是最为常用的基因病毒载体，

但在基因中，AAV载体相关的死亡事件屡有

发生，成为制约基因和基因编辑技术临床应

用的“瓶颈”。因此，发展和改良CRISPR/Cas的递

送系统，提升其安全性和有效性，也是基因编辑和

技术亟待解决的关键性技术问题。由于基因是人类的生命密码，对于人类基因

的编辑，不仅面临技术发展和改善的问题，也给人

类社会生活带来了巨大的挑战。伦理学问题是

ZFNs和TALENs技术那样重新构建新的蛋白质

结构，而只需要合成一段引导RNA(gRNA)即可

实现对任意的基因进行编辑。这极大推动了基因

编辑在各个领域中的应用，目前，CRISPR/Cas基

因编辑技术主要可用于基因功能研究、生物育种

和人类疾病的中。在基因功能的研究方面，CRISPR/Cas技术可

极大缩短基因编辑工具的构建时间周期，提高构

建的效率，已广泛应用于斑马鱼、小鼠、食蟹猴、

果绳、线虫、猪、兔等各种动物的基因敲除、敲人

和诱导突变等模型的建立，极大推动了人们对各

种基因功能的研究和认知，为揭开生命现象的最

后密码提供了一件研究的“神器”。在生物育种方面，CRISPR/Cas技术能针对作

物本身的基因进行定点精准突变或精准编辑，从

而能极大提高育种的效率，在农业生产上具有非

常重要的应用价值。目前，该技术已在水稻、小麦

和大豆等农作物中应用，改善这些农作物在抗病

能力、优势、不育性、株高、支链淀粉含量、抗

除草剂性能和香味等方面的性能。此外，在番茄、

土豆和莴苣等11个园艺作物品种中也在使用

CRISPIVCas的基因编辑技术[13]。有人统计，目前

已有包括模式植物、农作物、果树等木本植物和草

本植物的多达21个物种，使用该技术进行了基因

编辑并取得了成功。在动物育种方面，有人采用

CRISPR/Cas技术，对绵羊胚胎的成纤维细胞进行

基因编辑也取得了成功。在人类疾病方面，CRISPR/Cas技术获得

了巨大的成功。首先，通过对人类胚胎中突变的CRISPR/Cas基因编辑技术应用时难以回避的问

题，哪些人类基因能被编辑？基因编辑后对人类健

2021年第56卷第1期生物学通报9康和行为有哪些影响？哪些人的基因可被编辑？经

foreign genetic elements. J Mol Evol, 2005,60(2): 174.基因编辑的人类胎儿是否允许出生？在这些问题

[6] Pourcel C, Salvignol G, Vergnaud G. CRISPR elements in

得到科学和恰当的解答之前，对于人类的基因编

Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of

bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutio­辑问题应慎之又慎。nary studies. Microbiology, 2005,151 (3):653.无论如何，CRISPR/CaS技术给人们又一次带

[7] Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, et al. CRISPR provides

来能改变自己命运的神奇工具，希望人们能用好

acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science

这把“魔力之剪”，让生活变得更加健康、更加美

2007,315(5819)： 1709.好、更加幸福。[8] Makarova K S, Aravind L, Grishin N V, et al. A DNA repair

5写在最后system specific for thermophilic archaea and bacteria predic­ted by genomic context analysis. Nucleic Acids Res, 2002,30

因为是奖励化学研究方面的成就，有关

(2):/Cas技术的诺奖并未授予在细菌中发现

[9] Gaj T, Gersbach C A, Barbas C F. Z F N. TALEN, and

CRISPR系统的日本科学家石野良纯和首次利用

CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends

CRISPR/Cas9技术进行活体细胞基因编辑的美国

Biotechnol,2013 (31 ):397.华裔科学家张峰。但是，正如石野良纯在祝贺2位

[10] Deltcheva E, Chylinski K, Sharma C M, et al. CRISPR RNA

maturation by trans-encoded small RNA and host factor

科学家获奖时所说的，“但我并不后悔，古细菌的其

RNase III. Nature, 2011,471 (7340):602.他研究同样让我感到快乐，并一直支持着我走到今

[11] Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable dual-

天”。是的，科学的意义在于发现，科学家的研究就

RN A-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immu­是他们的快乐。这就是科学家追求的全部。nity. Science, 2012,337(6096):816.主要参考文献[12] Gasiunas G, Barrangou R, Horvath P, et al. Cas9-crRNA

[1]

康细林，储丹丹，单斌.基因编辑新技术CRISPR-Cas系统研

ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for

adaptive immunity in bacteria. Proc Natl Acad Sci USA,

究及应用进展.国外医药抗生素分册.2020.41(1):35.[2]

续国强,宋国华.CRSIPR/Cas系统及其研究进展.2017年第

2012,109(39):15539.[13] Karkute S G, Singh A K, Gupta 0 P, et al. CRISPR/Cas9

十五届中国北方实验动物科技年会论文集,2017:422.[3] Jansen R, Embden J D, Gaastra W, et al. Identification of

mediated genome engineering for improvement of horticul-

genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes.

turalcrops. Frotiers in Plant Science. 2017 (8 ): Microbiol, 2002,(43): 1565.[14] Savic N, Schwank G. Advances in therapeutic CRISPR/Cas9

[4] Bolotin A. Clustered regularly interspaced short palindrome

genome editing. Transl Res ,2016,168(10): s (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin.

[15] Pattanayak V, Lin S, Guilinger J P, et al. High-throughput

Microbiology, 2005,151(8):ing of off -target DNA cleavage reveals RNA -program­[5] Mojica F J M, Diez-Villasefior, C6sar, et al. Intervening se­med Cas9 nuclease Biotechnol,2013,31(9):839.

quences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from(E -

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