CRISPR基因编辑

CRISPR是获得了诺贝尔奖的著名基因编辑技术。该技术来源于细菌。

我们知道，病毒是细菌的克星。病毒可以将自己的DNA注入到细菌体内，利用细菌的资源复制更多的遗传物质，并合成蛋白质外壳。相反的，为了抵御病毒，细菌自身有一种识别病毒的机制，叫做CRISPR Cas，它是一种天然的免疫系统。

CRISPR中有很多短重复回文序列，间隔开每个“病毒特征码”（spacer），可以将CRISPR看作是一个特征码库。Cas1和Cas2的作用就是从病毒基因组上找到原间隔序列（protospacer），也就是病毒特征码，将这段截取下来，整合到CRISPR上面。在protospacer旁边连着一个NGG（任意碱基+两个鸟嘌呤）的结构，我们称之为PAM，PAM在人体基因组中非常多，但是在病毒的基因组中很少见。Cas1和Cas2会先找到病毒基因上的PAM，然后在PAM上游切下一小部分（20~26个碱基），运送到CRISPR上面，增加一组repeat和spacer，用来识别目标病毒。因此，有些细菌具有很大的CRISPR，说明它抵御了很多病毒的侵害；有些细菌的CRISPR很少，说明它受病毒的侵害少。

RNA聚合酶会将CRISPR转换成pre-crispr RNA，这个RNA具有很多间隔序列，RNA酶会把这个从把重复序列之间的spacer RNA部分连同后面的重复序列提取出来，匹配上的RNA叫做示踪RNA（tracr RNA），起骨架作用。我们把示踪RNA、spacer RNA和它们之间连接的部分（repeat）合起来叫做gRNA（guide RNA，cr:tracrRNA）。

Cas9蛋白会带着gRNA一同寻找匹配的病毒DNA。首先，Cas9的PAM肽会快速识别NGG，一旦发现PAM，则解开病毒DNA上游的螺旋，用spacer RNA进行匹配，一旦匹配成功，则把DNA双链切断，称之为双切断，将DNA终结。

当科学家利用Cas9切割DNA时，通常由于DNA的自我修复能力，使得断裂的两条链得以修复，但经常出现增加或缺少碱基的情况，导致移码突变，这样就可以使基因沉默。

除了直接切断双链，还有一种切断的方式是找到chi位点，形成粘性末端，然后利用Cas9连上的其他链为模板补完其中一条断裂链，再根据这条修复的断裂链修复另一条切断到chi位点的单链。此时即完成了基因编辑工作。