CRISPR先驱回顾第一个基因编辑疗法被批准-穿刺号

　　2007年，卢西亚诺·马拉菲尼(Luciano Marraffini)走上了当时科学界一条孤独的道路:了解大约10年前才在细菌中发现的CRISPR。

　　17年后，我们都知道CRISPR是什么:一场医学革命;千载难逢的科学突破;这是迄今为止发现的最有前途的基因治疗工具。但在当时，“有规律地聚集在一起的短回文重复序列”仅仅是好奇的基因片段，没有已知的目的。

　　“当我开始的时候，没有任何迹象表明它有一天会帮助人们治愈遗传疾病，”马拉菲尼回忆说。

　　但有趣的是，有一种理论认为CRISPR是细菌防御系统的一部分，细菌利用它来抵御病毒(称为噬菌体)和外来基因片段(称为质粒)的入侵。马拉菲尼当时是西北大学的博士后，是研究致病菌的专家，研究它们是如何入侵我们的。在转向CRISPR时，他翻转了这个脚本，试图了解它们如何对自己的入侵做出反应。如果CRISPR是一种武器，他想知道它是如何被制造和使用的。

　　他在概念上的转变得到了回报:在两年内，他发表了关于CRISPR的突破性发现，并在此过程中帮助开拓了新兴的基因组医学领域。

　　事实证明，CRISPR是一把基因手术刀，它可以非常精确地切割入侵DNA。Marraffini等人的突破性研究表明，将CRISPR-Cas9(一种对其功能至关重要的蛋白质)翻译给人类，不仅可以让科学家剪掉入侵的DNA，还可以剪掉我们自己的基因缺陷，这些缺陷会导致疾病。

　　这些发现很快结出了果实。英国和美国最近都批准了首个基于crispr的镰状细胞病基因疗法，更多的批准即将到来。最直接的是，治疗与贫血和生长不良有关的血液疾病-地中海贫血的批准预计将于2024年春季进行。其他基于crispr的治疗方法正在评估用于白血病、食道癌、肺癌和宫颈癌、亨廷顿舞蹈病和其他严重疾病。

　　“我觉得这太神奇了，”洛克菲勒的凯登家族教授马拉菲尼说。“大多数科学家，尤其是生物医学科学家，都希望对社会产生一些积极的影响。我很荣幸做了一些能帮助人们的事情。”

　　马拉菲尼第一次被科学所吸引是在他还是个孩子的时候，在阿根廷的罗萨里奥，《银翼杀手》等未来主义小说激发了他的想象力。然而在高中时，他学的是金融，这是他的父母——一位建筑师和一位教师——鼓励的一条实用路线。

　　但在资金管理方面的职业前景让他感到缺乏灵感，于是在罗萨里奥大学(University of Rosario)，他转而学习生物技术。那是90年代初，最近遗传学方面的突破让他着迷:在短短几年的时间里，人类基因组计划启动了，人类23对染色体的第一张粗略图谱发表了，美国联邦政府批准的第一个基因疗法成功地用于治疗一名患有免疫疾病的4岁女孩。

　　马拉菲尼毕业后，农业生物技术公司孟山都(Monsanto)找上门来，他在那里工作了几年，试图通过基因加速植物育种。但这也让我感到不满足。

　　他回忆说:“我希望能够和一些有机体一起玩，以一种没有太多限制的方式进行科学研究。”“如果你和植物一起工作，你必须等很长时间才能让它们生长。但是细菌生长得非常快。”

　　就这样，他在芝加哥大学著名微生物学家奥拉夫·施尼温德(Olaf Schneewind)的实验室获得了博士学位。在那里，他研究了细菌入侵者如何利用蛋白质和酶在我们的组织中定居，逃避我们的免疫系统，并产生诱发疾病的毒素。正是在那里，CRISPR引起了他的注意。

　　他在西北大学Erik Sontheimer的实验室里进行了更深入的研究，Erik Sontheimer当时正在研究RNA干扰(RNAi)，这是一种当时新发现的细胞机制，它利用基因自身的DNA序列来抑制基因表达。(几年前，洛克菲勒的托马斯·图什尔(Thomas Tuschl)已经证明，在人类细胞中使用RNAi是可能的。)

　　“RNAi与CRISPR的唯一共同点是它使用小rna，”Marraffini说。“这就是我联系埃里克的原因。他立即看到了CRISPR的潜力，尽管他的实验室没有这方面的专业知识。”

　　Marraffini很快在表皮葡萄球菌中发现了CRISPR系统，表皮葡萄球菌是人类皮肤微生物群的一种常见成员。它在那里阻止质粒失控。(质粒与细菌有着令人费解的关系;它们可能有害也可能有益。)这证实了CRISPR确实是细菌防御系统的一部分。接下来，他必须找出它是如何部署的。

　　Marraffini在接下来的一年里对表皮葡萄球菌进行了修补，并在2008年的一篇论文中揭示了CRISPR使用引导RNA来破坏质粒的DNA。因此，这些入侵者不能再复制。

　　其他研究表明，CRISPR系统还将入侵者的基因片段作为所谓的“间隔”储存在自己的DNA中，这样如果将来遇到相同的序列，它就可以激活免疫反应。事实证明，CRISPR是一种广泛应用的防御系统，在40%的细菌和几乎所有被称为古菌的单细胞生物中都有天然存在。

　　但是，CRISPR在操纵人类DNA方面的潜力如何呢?2008年，这看起来就像《银翼杀手》(Blade Runner)中的生物工程复制人一样科幻——然而，正如马拉菲尼和索斯海默在这篇开创性的论文中谨慎指出的那样，这并非不可能。

　　他们写道:“指导特定的、可寻址的DNA破坏的能力可能具有相当大的功能效用，特别是如果该系统可以在其原生细菌或古细菌环境之外发挥作用。”

　　不久之后的2010年，马拉菲尼来到洛克菲勒，成立了细菌学实验室，在那里他开始测试CRISPR系统是否真的可以在其原生环境之外发挥作用。洛克菲勒研究人员奥斯瓦尔德·艾弗里(Oswald Avery)利用一种肺炎链球菌证明了DNA是遗传物质的载体，受其启发，Marraffini从一种相关菌株化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes)中剪切了CRISPR系统，以及它最重要的观察蛋白cas9，并将其插入缺乏防御系统的肺炎链球菌中。正是在这个经过改造的生物体中，他第一次对Cas9进行了编程，使其能够发现并切割他们瞄准的任何DNA序列。

　　2012年，未来的诺贝尔奖得主詹妮弗·杜德纳和艾曼纽尔·查彭蒂耶在试管中用Cas9切割了DNA。一年后，在与布罗德研究所(Broad Institute)的张锋(Feng Zhang)的开创性合作中，马拉菲尼证明了在人类细胞中进行同样的实验是可能的。其他机构的研究人员——包括哈佛大学的乔治·丘奇，他在1984年开发了第一个直接的基因组测序方法——也得出了类似的结论。

　　从那时起，Marraffini继续在各种CRISPR-Cas系统如何工作方面取得开创性的发现，有时与洛克菲勒的其他实验室合作。已经发现了6种类型和19种亚型。考虑到细菌和噬菌体的非凡多样性，它们的数量可能超过细菌种类的10比1，更多的类型可能被识别出来。其中一些系统可以剪切噬菌体或质粒DNA，其他系统可以剪切RNA，还有一些系统则是两者的组合。有些不直接攻击入侵者，而是诱导一种神风特攻任务，摧毁细胞和噬菌体，正如马拉菲尼的实验室最近发现的那样，这种任务发生在一种变异中。

　　他的实验室还致力于发现和鉴定新的抗噬菌体防御系统——细菌防御中的非crispr防御。就像CRISPR一样，这些尚未被发现的机制可能有一天会产生新的工具和治疗方法。

　　Marraffini也是两家公司的联合创始人和顾问，这两家公司正在直接开发用于治疗多种疾病的CRISPR-Cas疗法。Intellia Therapeutics正在进行肝病、肺病和两种凝血疾病(A型血友病和B型血友病)的治疗项目。两种罕见的遗传性疾病——甲状腺素淀粉样变性(以肝脏生成的蛋白质堆积为特征)和遗传性血管性水肿(导致反复发作的严重肿胀)的治疗都处于临床试验阶段。