2022WK3

一直打算系统的读一本关于CRISPR的书，还有什么比2020年诺贝尔奖得主Crispr-Cas基因编辑的联合发现者杜德娜和她的PhD博士哥伦比亚教授塞缪尔斯滕伯格亲自操刀的这本更合适呢：a crack in creation-gene editing and the unthinkable power to controll evolution更合适呢？

a crack in creation

• 杜德娜是做生物化学的，某种程度上，在她进入这个领域之前，CRISPR几乎是只在微生物学界被研究的现象，所以，伯克利的微生物学家吉莉安（第一次把CRISPR介绍给了杜德娜）和法国微生物学家卡朋蒂耶(她和杜德娜共享诺贝尔奖，是她第一次邀请杜德娜一起研究Cas9蛋白），她们2个是杜德娜真正的贵人。我在想，假设不是杜德纳，如果吉莉安和卡朋蒂耶邀请的是另外一个能做蛋白结构和功能的生物化学家，或许她/他也能做出这个发现，毕竟在杜德纳之前，关于Crispr-cas9功能的假说已经有人提出了。最终杜德娜和卡朋蒂耶的发现和这个假说并不远。
• CRISPR当然是跨时代的生物技术，过去一个世纪里面就重要性来说，也许只有PCR和分子克隆这样的技术能与之相提并论，但是超越技术层面，CRISPR之所以诞生，是因为在研究细菌的适应性免疫机制的时候发现的（因为CRISPR-Cas系统能切割侵入的噬菌体DNA，并整合到自己的基因组里面，形成“免疫记忆”), 而发现细菌就像高等的哺乳动物比如人类一样，拥有进化出来的一套对抗外来“病毒”（噬菌体）的防疫机制，而这套防疫机制的设计是那么巧妙和简洁，有人说光这个理论，就应该颁发诺贝尔奖，我深以为然。当然如果是这个颁奖，杜德娜的贡献可能并没有那么大，也许排不到前2位。
• 有一段时间，杜德娜背后的伯克利和哈佛背后的张锋在争夺第一个在人类组织中进行基因编辑的专利一度闹得不可开交（包括Broad研究所所长Eric Lander一度卷入，在Cell上写了那篇著名的拉偏架的综述），这段撕逼基本上没在这本书上体现，作为吃瓜群众，略感失望。下次看看华人翘楚张锋写书会不会提及。另外很多华人认为张锋应该分享诺贝尔奖，我想，如果你读过这本书或者对CRISPR技术诞生的前前后后稍做一些功课，可能就不会这么认为。

CRISPR技术的出现及其在全世界的普及给整个世界和人类的震撼性影响是个正在逐渐展开甚至难以预测的过程，正如杜德娜自己说的：

在现代人类出现的10万多年来，我们的基因组一直被两种力量塑造着：随机突变和自然选择。现在，我们第一次有能力编辑自己以及我们后代的DNA——本质上，我们可以决定人类这个物种的演化方向。在地球的生命史上，这还是首次出现，我们还不知道该如何理解这个事实。但我们不得不开始思考一个不可思议但至关重要的问题：鉴于人类在诸多重大议题上争执不休、固执己见，我们会把这种强大的力量用在哪里？

历史上第一个基因治疗的案例来自60年代，美国医生斯坦菲尔德罗杰斯:

他当时在研究兔子里的致疣性病毒：肖普氏乳头瘤病毒（Shope papillomavirus）。令他特别感兴趣的是，该病毒会引起兔子过量分泌精氨酸酶，后者可以中和精氨酸。与正常兔子相比，患病的兔子身上精氨酸酶的含量更高，精氨酸水平更低。此外，罗杰斯发现，那些接触过该病毒的研究人员血液中的精氨酸水平也更低。显然，这些人从兔子身上感染了该病毒，而这些感染使得研究人员的身体发生了持久变化。罗杰斯推测，可能是肖普氏乳头瘤病毒把某个可以提高精氨酸酶水平的基因从兔子传染到了人。他一边惊叹于病毒运送基因的能力如此之大，一边也开始考虑是否可以改造病毒来运送其他基因

后来罗杰斯在2个德国女孩身上试验了他的想法，虽然实验失败了，但是用病毒作为载体运送基因的策略彻底改变了生物学研究。考虑到这是60年代，离DNA双螺旋发现的时间也才10多年，坦菲尔德罗杰斯应该是每个生命科学工作者都应该记住的名字。
杜德娜还用相对简洁的语言解释了DNA双链断链作为一个模型何以能解释基因编辑背后的机理：

如果双链断裂模型是正确的，而且酵母研究得出的结论同样适用于哺乳动物，那么我们就有机会提高基因编辑的效率：我们可以在基因编辑的目标位点把基因组打断。如果你想使用一个正常基因替换一个缺陷基因，你首先要做的，是设法在缺陷基因处“切断”染色体，引入局部的双链断裂，与此同时提供一个正常的基因拷贝。细胞一旦发现双链断裂，就会试图寻找一个配对的染色体修复断裂——这时，它有可能就会找到我们提供的基因。本质上，我们“欺骗”了细胞，让它“认为”DNA受到了破坏，同时，我们提供了第二份DNA，将它“伪装”成第二份染色体，细胞就利用它来修复断点。

现在CRISPR当然名满天下了，但是除了专业人士，可能没有多少人知道CRISPR是clustered regularly interspaced short palindromic repeats的缩写。在解释CRISPR里面回文的意思的时候, 译者夹带了一点私货, 引用了中文诗词"黄山落叶松叶落山黄"来帮助解释CRISPR的回文:

“回文”的意思也很明显：这个序列从左向右读跟从右向左读是一样的，好比回文句子，如“黄山
落叶松叶落山黄”

这本书还科普了CRISPR-Cas9系统的一些其他作用, 比如把Cas9负责切割DNA的氨基酸突变掉,它依然能和向导RNA相互作用,定位到目标基因, 但是不会改变目标基因的序列, 只是调节其表达水平:

改良版本的CRISPR可以让科学家在不影响细胞DNA的情况下改变基因的表达水平。打个比方，这就好比为基因表达添上了旋钮，我们可以把基因开启或者关闭、调大或者调小，就像调整灯光的亮度。这套CRISPR干扰系统的功能有点像分子送货员。这时，科学家的目的不再是锁定目标基因并切割DNA，而是把Cas9或向导RNA与等待配送的蛋白质结合起来，然后通过改造的CRISPR把该蛋白质运送到细胞内的特定基因上。这些蛋白质可以增强或者减弱目标基因的表达水平

CRISPR的一大特点功能上简直像原子弹一样强大,但是价格却低廉:

我们可以很轻易地设计出向导RNA，再加上Cas9蛋白质，通过标准流程完成实验，这只要几天的时间，而且不需任何额外的培训。唯一需要的是含有CRISPR的质粒，而这也可以通过非营利组织爱得基因（Addgene）获取，他们有一个很大的质粒储备仓库，而且还在不断扩张，他们也提供质粒分配服务。2015年一个Addgene一个质粒的价格是区区65美元
有些专家推测，以现在的技术，任何人只要花2000美元就可以建立一个CRISPR实验室。其他人则估计，一些热情的技术迷会尝试在家里进行基因编辑，很快会出现一批自己动手的生物黑客。CRISPR甚至成了众筹资本追捧的对象，它为开发和传播自己动手的基因编辑试剂盒（DIYgene-editing kits）募集了超过5万美元。只要130美元，每个募捐者就会收到一份试剂盒，“在家里，你就能对细菌的基因组进行精准编辑”。

当然这本书不可避免地会谈到利用基因改造农作物，正如同我的预期，任何一个靠谱的生物学家包括杜德娜对转基因技术（假设也包括基因编辑）基础上的对农作物的改造是持有开放和乐观态度的：

虽然有这些好处，而且数以亿计的人都摄入了转基因食物，并没有任何问题，转基因食物仍然饱受攻击、严格的审查和尖锐的抗议，但大多数批评并没有坚实的根据，这些反对的声音往往只关注少数研究，他们声称转基因作物有害消费者或环境的健康。比如，有人声称摄入转基因土豆会让大鼠患上癌症，转基因玉米会杀死君王班蝶——但是，这些报道都被众多后续研究否定，而且受到了科学界的广泛谴责。虽然转基因生物受到了消费品市场最严格的监管，但专业机构的共识是，转基因食物跟传统食物一样安全。支持转基因食物的组织包括美国联邦政府部门、美国医学会（AMA）、美国国家科学院、英国皇家医学学会、欧盟、世界卫生组织。尽管如此，仍有60%的美国人认为转基因食物不安全。
一个关键点是，提到转基因生物，人们好像总觉得它有点儿不自然，甚至邪恶。事实上，我们吃的每一种食物几乎都被人为改造过，比如选育种子时用过随机诱变。因此，“自然”与“不自然”并没有截然清楚的区分。中子辐射创造出了红葡萄柚，秋水仙素诱发了无籽西瓜，苹果园里长满了基因型完全一致的苹果——现代农业的这些现象都不是自然出现的，但我们大多数人都在摄入这些食物，毫无怨言

基因编辑甚至诞生了新的方法，叫做“无痕编辑”，也就是说CRISPR技术需要引入目标生物体的Cas9和向导RNA可以被细胞内的天然回收系统清除：

此外，科学家也在研究新方法，使用CRISPR在植物体内进行“无痕编辑”。比如，科学家可以在实验室里合成、纯化、组装CRISPR分子（正如我们在2012年《科学》上发表的那篇论文里所展示的那样），然后导入植物细胞，使其马上作用于基因组。短短几个小时之内，Cas9和它的向导RNA就会完成基因编辑，之后它们就被细胞内的天然回收系统清除。我希望，假以时日，通过无痕编辑产生的农作物能够赢得公众的接纳。

CRISPR在畜牧业的应用，一个有趣的例子是培育出像健美冠军一样的脂肪更少，精肉更多的牲畜：

借助精准基因编辑，科学家已经改造出了所谓“双肌化”（两倍肌肉）的奶牛、猪、绵羊、山羊，它们非常强壮，就像是动物中的健美冠军。这些新品种并非实验室里创造出的怪兽，实际上，科学家的灵感来自于大自然，就像大麦里出现的耐受白粉病的突变体。
肉牛养殖户是了解“双肌化”特征的，因为它多见于两种常见的肉牛品系——比利时蓝牛（Belgian Blue）和皮埃蒙特牛（Piedmon-tese）。平均来说，这些牛的肌肉比例更高，脂肪更少，精肉部位更发达，总体肌肉含量平均要高20%，它们是肉牛养殖户梦寐以求的品种。1997年，三个实验室同时发现，这种独特的肌肉特征源于一个突变基因，叫作myostatin （肌肉生长抑制基因），它就像是身体肌肉组织生长的刹车系统。研究者发现，这两种肉牛的myostatin 基因出现了不同类型的突变：比利时蓝牛缺失了11个碱基，皮埃蒙特牛中有1个碱基突变。更重要的是，该基因编码的蛋白质都失活了。之前，研究者敲除了实验室小鼠的myostatin 基因，结果导致小鼠个头大了两三倍，而且更壮硕。在某种意义上，大自然在牛身上也进行了类似的实验。

CRISPR对人类意味着什么，杜德娜提到了著名的反乌托邦小说[美丽新世界]：

道司·赫胥黎（Aldous Huxley）曾在小说《美丽新世界》（Brave New World）中虚构了一个按基因等级排序的未来社会。今天，媒体讨论到生殖细胞系编辑时，都会不时提起这本书。赫胥黎把这个反乌托邦社会设定在2540年。但是，如果基因不平等（假如基因编辑果真会导致这一点的话）以目前的速度发展下去，似乎不用那么久，这就会成为现实。如果你有兴趣，不妨琢磨一下这个发人深省的问题：在未来500年，类似CRISPR的技术对社会、对人类还有哪些方面的影响？

这本书看到最后，我想起最近看的一部奈飞的纪录片[unnatural selection]，这个纪录片就是关于基因编辑的故事。达尔文解释演化何以发生，发展了“自然选择”这个概念，我们五彩斑斓的生物圈很大程度上都是千百万年拜“自然选择”所赐，无疑自然选择的时间维度是几千，几万甚至几十万年。而CRISPR-Cas技术的诞生，意味着，人类拥有了一个在短时间内操纵进化的强大工具，所以这是unnatural selection。
希腊德尔菲神庙上的刻的箴言“认识你自己”，如果希腊先贤活在今天，他也许会刻上“改造你自己”吧，毕竟我们有了CRISPR-Cas。