近几年生物医学蓬勃发展，让许多人期盼有一天科学家可以改变人类基因，达到治疗疾病或延长寿命的目的，但其实要改变生物原有的基因不是容易的事。首先我们得找到需要修改的基因，但是人类染色体含有 30 亿个碱基，要从中找到某个特定碱基来进行修改，比去中国找一个只知道名字却不知道下落的人还难上加难。
2012 年以前科学家进行基因或 DNA 编辑的工具主要有两种，一是 ZFN（Zinc Finger Nuclease）；另一种是 TALEN（Transcription Activator-Like Effector Nuclease）。这两者都是利用蛋白质来标定 DNA 的位置，然后利用 FokI 核酸酶剪断要编辑的基因，再进行插入或移除。不过 ZFN 和 TALEN 用来辨识 DNA 位置的蛋白质都不容易制作，而且 ZFN 对细胞有毒性，TALEN 则因分子大不易高效导入，因此科学家往往要费九牛二虎之力才能编辑一个基因。这些困难要等到 CRISPR / Cas 出现才得以解决。
▲ 此为去氧核糖核酸片段结构动画，各种碱基水平排列于两条螺旋长链之间。（Source：wikipedia）
漫长的发现过程
如果说 Photoshop 是相片编辑大师，那么 CRISPR / Cas 系统就堪称是 DNA 编辑大师了。
CRISPR / Cas 包含两个部分，第一个是 CRISPR（clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats），这是一段排列奇特的 DNA；第二个是 Cas，是一种核酸酶。这两者组合起来就成为一套 DNA 编辑系统。这套系统的发现非常有趣，最初是 1987 年日本科学家 Y. Ishino 等人在大肠杆菌的 iap 基发现一段奇怪的 DNA，这段 DNA 是由两个单元 repeat 和 spacer 不断重复组成，当时他们不明白这段 DNA 有什么意思，把它取了个名字叫 CRISPR。到了 2002 年，科学家发现 CRISPR 经常和 cas 基因连在一起，因此把这一段 DNA 合称 CRISPR / Cas。
2005 年 C. Pourcel 发现 CRISPR 中的 spacer 来自曾攻击细菌的病毒。两年后 R. Barrangou 终于解开了这段 DNA 的谜：原来 CRISPR / Cas 系统是细菌抵抗病毒攻击的一套免疫系统。当病毒攻击细菌后，如果细菌没死，便会把病毒遗留下来的 DNA 片段加到自己的 CRISPR 成为一段 spacer，所以如果一只细菌曾遭受 10 次不同病毒攻击，便会增加 10 个 spacer。等到下一次再遭受病毒攻击时，细菌的 CRISPR / Cas 便会比对病毒的 DNA 序列，如果和某个 spacer 一模一样，那就表示这只病毒曾经来犯过，Cas 核酸酶便会将这个病毒的 DNA 剪断，使病毒失去攻击细菌的能力。
到底 CRISPR 如何比对病毒 DNA 呢？2008 年 S.J.J. Brouns发现细菌原来是由 CRISPR 转录的一段特别 RNA 来比对病毒 DNA 序列，这段 RNA 称作 crRNA。事实上 CRISPR 除了使用 crRNA 来比对外，有时还需要另一段特别的 RNA （tracrRNA）来辅助寻找病毒 DNA。目前知道 CRISPR / Cas 系统可以粗略分成三大类：Type I、II、III。其中 Type I、III 只需要 crRNA 就可以找到病毒 DNA；而 Type II 则需要 crRNA 和 tracrRNA 合作才能找到。不过 Type I、III 如果要切断病毒的 DNA，需要 8 种 Cas；而 Type II 只需要一种（Cas9）即可，因此 type II 的 CRISPR / Cas9 受到科学家的青睐全力发展。
3 种 DNA 编辑工具比较
CRISPR / Cas9的功能
如果把 DNA 编辑技术与半导体发展做对照，ZFN 的技术层次就像是真空管，TALEN 则是晶体管，而 CRISPR / Cas9 就迈入积体电路时代，因此 CRISPR / Cas9 可称为近年生物学界的最大突破。
2012 年可说是 CRISPR / Cas9 系统大丰收的一年。I. Yosef 发现病毒 DNA 上有一段特别的区域叫 PAM，可以被 crRNA 用来加强辨识 DNA 位置。美国加大柏克莱分校的蒋内可（M. Jinek）把 crRNA 和 tracrRNA 黏起来，变成一条合成的单股RNA，称 sgRNA，大幅简化制作 CRISPR / Cas9 的过程，同年他又提出修改 sgRNA 裁切其他 DNA 的方法。瑞典Umeå 大学的夏虹缇（E. Charpentier）和美国加大柏克莱分校的杜德娜（J. Doudna）正式提出了 CRISPR / Cas9 这套可程式化的细菌免疫系统。2013 年哈佛-麻省理工博德研究所（Broad Institute）的合成生物学家张锋（Feng Zhang），将这套系统用于哺乳动物多个基因（multiplex）的编修，并获得成功。
张锋的研究非常重要，因为以往的 ZFN 和 TALEN 有个大缺点，只能在每次实验中改变一个基因，但是动物的表现型大多由多个基因所控制，例如人类的身高、肤色以及大部分的疾病，对于这些需求，ZFN 和 TALEN 毫无用武之地，而 CRISPR / Cas9 系统则没有这个限制，因此能够大幅放宽应用范围。
CRISPR / Cas9 价格便宜、操作简单，一般实验室几乎都能依照指示展开实验，自 2012 年后相关的研究如雨后春笋冒出，据统计 2013 年有 277 篇科学研究；2014 年有 587 篇；2015 年预计会有 1,100 篇以上的论文。可以预见诺贝尔奖将会颁发给发现这套系统的相关研究者。
CRISPR / Cas9 也牵涉到庞大的经济利益，无数的新药开发和疾病治疗都牵涉到 DNA 的编辑，据估计相关的商机有几百亿美元。基于上述种种因素，各方人马无不尽力要证明自己是 CRISPR / Cas9 的第一位发现者，其中竞争最激烈的就是杜德娜和张锋的团队。
挑起专利诉讼和诺贝尔奖的争夺战火
2014 年 4 月美国专利商标局发给张锋第一个 CRISPR 的专利，这项专利涵盖了所有真核细胞，也就是除了细菌以外的所有生物。这消息让杜德娜和夏虹缇非常不满，因为她们比张锋早了 7 个月申请 CRISPR 专利，却迟迟得不到回应。为什么张锋后申请却先得到回复？这其中有两个关键原因。
第一、原来美国专利商标局有一种加速专利申请的方法叫 track one，一般专利申请审核都会超过 12 个月，但是使用 track one 则保证 6 个月内给答案。当然天下没有白吃的午餐，使用 track one 必须缴交很多钱。张锋的团队有个哈佛大学富爸爸，替他们付了这笔钱。
第二、由论文发表的时间点来看，杜德娜和夏虹缇是 2012 年 6 月发表于 Science，而张锋则等到 2013 年 1 月才发表在同杂志，明显杜德娜才是首创。的确以现在美国专利商标局的规定“first to file”的人，即杜德娜和夏虹缇才能获得专利；但是张锋申请专利时美国用的是旧规定，即“first to invent”的人获得专利，也就是只要你能证明自己是第一个想到的人就可以获得专利。张锋在专利申请书上附上了 2012 年初的实验室笔记──早于杜德娜的 6 月──证明自己早就有这个想法。
现在张锋和杜德娜两人势同水火，大战才刚拉开序幕。杜德娜在张锋获得专利后，马上退出她与张锋共同成立的 Editas 公司，转投敌营 Intellia。杜德娜在 YouTube 亲自录制影片介绍 CRISPR / Cas9；张锋则做了一个网站 addgene 推广他们 lab 的 CRISPR plasmids。今年 4 月杜德娜背后的加州大学，要求专利商标局撤销张锋代表的哈佛-麻省理工博德研究所 10 项有关 CRISPR / Cas9 的专利。据估计这场专利大战没有 3、5 年是不会落幕的。
（Source：YouTube）
医疗潜力无穷尽
不管张锋和杜德娜之争结果如何，CRISPR / Cas9 将会带给人类巨大的改变。最新的研究显示可以用这套系统将人类 T 细胞一种表面抗原 CXCR4 去除，如此一来，艾滋病毒 HIV 便无法感染 T 细胞；此外也成功地运用这种技术，治愈患有裘馨氏肌肉萎缩症的老鼠。虽然现在 CRISPR / Cas9 使用在人类身上还有许多技术问题需要克服，如效率太低、马赛克效应（mosaic effect）、脱靶效应（off-target effect）等，各国法规和伦理也有诸多限制，不过假以时日这些问题终将被一一解决，届时圣经创世纪第一章“神就照着自己的形象造人”可能要被改写成“人就照着自己的想像造完美的人”。
