改写生命密码：诺奖所说的“基因剪刀”究竟是什么？( 三 )

我们不能忽视了基因编辑给我们——特别是对遗传病患者——提供的无比珍贵的医疗机遇。试想，假如有人知道了他/她携带着一份突变版本的HTT基因（这意味着他/她肯定会患上早发性失智症），如果他/她能够提前获得基于CRISPR的治疗，在症状发作之前就剔除突变的DNA ，这会免去多少痛苦——而这种治疗手段在以前是无法想象的。因此，虽然我们还在辩论是否应当对生殖细胞进行基因编辑，但我们也很小心地避免让公众对CRISPR产生敌意，甚至反对基因编辑技术的临床应用。
Cas9的功能究竟是什么？
Csn1蛋白质的名字几经演变，最终，在2011年夏天，确定为Cas9 。在我追踪Cas9相关研究的时候，虽然它变来变去的名字带来了一些麻烦，但是我从未怀疑过它的重要性。罗多尔·巴兰高和菲利普·霍瓦特在2007年的研究表明，如果使cas9基因失活，嗜热链球菌抵抗病毒入侵的能力会下降。此外，约西亚娜·加诺和席尔万·莫伊诺发现噬菌体基因组在CRISPR免疫反应过程中被切开之后，又进一步表明，如果使cas9基因失活， CRISPR就不会摧毁病毒的DNA 。
与之类似，在埃马纽埃尔（埃马纽埃尔·卡彭蒂耶， Emmanuelle Charpentier）使用化脓链球菌的实验中， cas9基因失活会导致CRISPR转录出的RNA分子残缺，并降低整体的免疫水平。最终，在2011年秋季，由维尔日尼胡斯·塞尼相克斯实验室和丹尼斯克公司的罗多尔·巴兰高、菲利普·霍瓦特共同完成的研究显示， cas9基因是嗜热链球菌中对于抗病毒反应的一个必需的cas基因。

本文插图
CRISPR的RNA分子与Cas蛋白质靶向锁定病毒DNA 。
随着我对Cas9的了解越来越多，我也越来越意识到Cas9在II类CRISPR免疫反应的DNA摧毁阶段可能扮演了关键角色。起码，在链球菌属里，它是一个必需基因，但是我们有理由认为， II类系统中的每一个关键成分在其他系统里都同样重要。不过， Cas9的功能究竟是什么，我们仍然不清楚。
马丁（捷克博士后科学家马丁·耶奈克， Martin Jinek）、我和埃马纽埃尔，进行了一次Skype网络电话会议，开始商议Cas9实验要采取的策略。安排这次会议颇费周章：埃马纽埃尔当时在瑞典北部的于奥默大学（Ume? University），比美国太平洋时间早了10个小时，而她实验室里领衔CRISPR课题的是克日什托夫·切林斯基（Krzysztof Chylinski），在维也纳大学工作，这是埃马纽埃尔先前的工作机构。总之，这是一个相当国际化的合作团队：一位人在瑞典的法国教授，一个在奥地利的波兰学生，一个德国学生，一个捷克博士后，以及一位在伯克利的美国教授。
我们终于找到了一个适合所有人的时间，然后就开始规划实验蓝图。从我们实验室的角度看，最初的目标相当直接：我们需要想办法分析、纯化Cas9蛋白质，这是埃马纽埃尔的实验室无法做到的。有了Cas9在手，我们就可以着手进行生化试验，鉴定Cas9是否如我们推测的那样与CRISPR的RNA分子相互作用，以及它在抗病毒免疫反应中发挥了什么功能。
埃马纽埃尔的博士学生克日什托夫给我们寄来了一个质粒，其中包含了化脓链球菌的cas9基因，然后迈克在马丁的细心帮助下开始蛋白质纯化的工作。首先，迈克把重组的DNA引入了不同类型的大肠杆菌，他系统地测试了几十种不同的条件，来优化Cas9蛋白质表达，这就像园丁筛选不同的土壤和肥料组合，以找出适合新花卉的最优生长条件。其次，迈克测试了纯化出的Cas9蛋白质的稳定性。
有些蛋白质非常娇贵，使用一次之后就“变质”了，往往是因为蛋白质凝聚或者沉淀，会导致试管中的蛋白质溶液变成奶白色；另外一些蛋白质则可以反复冻融，状态依然稳定。我们很幸运?Cas9蛋白质很稳定。最后，进行生化实验的时间终于到了。在迈克和马丁纯化、分离Cas9蛋白质的过程中，我们就猜想，这个蛋白质如果具有切割DNA的功能，这可能要依赖于向导RNA 。在我们研究过的I类CRISPR系统中，向导RNA与多个Cas蛋白质结合，形成识别和切割DNA的分子复合体。我们设想， Cas9的工作方式可能与此类似。事实上，氨基酸序列分析表明， Cas9蛋白质里可能有两个独立的核酸切割模块，其中至少有一个会切割噬菌体的DNA 。