摘要
就像人类一样，细菌也会生病。一些细菌有一种叫做CRISPR/Cas9的防御系统，可以保护它们不受病毒感染。在过去的几年里，科学家们已经将这种细菌防御系统应用于实验室中，以改变各种生物的DNA。本文将解释如何使用CRISPR/Cas9编辑基因，并将提供该技术如何有用的示例。使用CRISPR/Cas9的实验必须在道德上进行，也就是说，科学家必须确保所有的研究都尊重人权和动物福利，并遵守法律。
CRISPR/Cas9:细菌的防御系统
没有人喜欢生病。我们咳嗽、打喷嚏、发烧、疼痛。所有这些都表明，身体的防御系统，即免疫系统，正在试图保护我们免受微小的致病入侵者的侵害，包括导致普通感冒或Covid-19等疾病的病毒。你知道病毒也可以感染许多其他生物，包括微小的细菌吗?感染细菌的病毒叫做噬菌体．虽然细菌与人类的免疫系统有很大的不同，但细菌也有一个防御系统来保护它们免受感染。这个系统被称为CRISPR/Cas9 [1］．当噬菌体感染细菌时，病毒将其遗传物质注入细菌。这种细菌识别出这种入侵者，并在CRISPR/Cas9的帮助下，将遗传物质切割成碎片以阻止感染。之后，细菌会保留一小块噬菌体的遗传物质，因此如果同一噬菌体再次感染，细菌可以更快地对入侵者做出反应。
什么是CRISPR/Cas9?
CRISPR这个名字是Clustered regular Interspaced Short Palindromic Repeats的缩写。这听起来有点拗口，但继续读下去，你就会明白这个复杂的名字了!
像所有的生物一样，细菌含有一种叫做DNA的遗传物质。DNA由四种不同的积木组成，它们被称为核苷酸腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。这四种基本成分的序列是创建生物体的指令代码，类似于字母序列组成单词的方式。在某些地方形成了代码回文序列，可以用同样的方式向前或向后阅读。“kayak”这个词就是回文的一个例子。一个DNA回文可能看起来像TAGCGAT。就像kayak这个词一样，TAGCGAT前后读起来都是一样的。现在，假设在DNA中有几个TAGCGAT序列的副本。你可以称它们为短回文“重复”，因为它们是重复的。如果这些回文重复序列在整个DNA编码中以组的形式出现，那么我们称之为“聚类”。因为这些回文重复序列被其他DNA序列分开，所以它们被称为“间隔的”。把所有东西放在一起，你就发现了聚类规则间隔短回文重复，或CRISPR!最后，Cas-9之所以包含在名字中，是因为它是CRISPR系统中使用的重要蛋白质，下面将对此进行描述。
CRISPR/Cas9如何帮助科学家?
你可能想知道为什么细菌的防御系统对科学家如此重要。科学家们想出了如何使用CRISPR/Cas9系统来编辑或改变DNA序列。这一如何在实验室中使用CRISPR/Cas9的发现对科学界来说极其重要，以至于在2020年，帮助发现它的两名研究人员(Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna)获得了最重要的科学奖——诺贝尔化学奖。
正如我们提到的，组成DNA的核苷酸组成了一个密码，这个密码包含了组成整个有机体的指令。万博manbetxapp最新编码特定特征的DNA片段，例如狗毛的颜色，被称为基因。假设我们知道了控制狗毛颜色的基因。如果基因中核苷酸的顺序改变，狗的皮毛颜色就会改变。为什么?因为我们更改了制作狗毛颜色的说明(图1)．
- 图一-(一)DNA由两条链组成，缠绕在一起形成一种叫做双螺旋的形状。
- (B)DNA链由四种积木组成，称为核苷酸:腺嘌呤(A)，硫胺素(T)，胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)。(C)核苷酸以特定的顺序排列，这包含了生命的方向!(D)通过一种叫做RNA的中间分子，DNA制造蛋白质，这些蛋白质结合形成生物体。如果DNA发生变化，它就会改变它所编码的蛋白质，这就会导致生物体的变化BioRender.com)．
为了理解我们如何使用CRISPR/Cas9系统编辑基因，你必须首先了解这个系统的各个部分以及它们是如何工作的。首先，科学家必须知道核苷酸的顺序，或者他们感兴趣的基因的序列。幸运的是，有些网站提供这些信息。一旦知道了基因序列，我们必须使用的CRISPR/Cas9系统的第一部分是一种叫做Cas9．Cas9就像剪刀一样切割DNA。Cas9可以在任何地方切割DNA，但我们只想让它切割我们感兴趣的基因。将Cas9放到正确的位置需要一个名为指导RNA，它就像GPS坐标一样，将Cas9引导到我们想要切割的序列。我们根据基因序列设计引导RNA，这样Cas9只会在那个确切的位置切割DNA (图2一个)．在引导RNA附近是aPAM网站这是一个三核苷酸序列，就像虚线显示Cas9切割DNA的位置一样。我们找到一个离我们想要切割的DNA区域最近的PAM位点(图2 b)．最后一个组件称为a修复模板．修复模板是一段DNA新我们希望基因具有的序列(图2 c)．使用修复模板，我们可以复制、粘贴、添加或删除部分DNA序列，就像在word文档中编辑句子一样!例如，假设我们想将核苷酸ATGCTA添加到我们的基因中。修复模板将包含ATGCTA和一些与原始基因匹配的额外DNA，以告诉修复模板去哪里。然后，在DNA修复后，新的核苷酸会被粘贴到DNA中，恰好是我们想要它们的位置(图2 d)，给我们编辑过的基因。
- 图2 -使用CRISPR/Cas9进行基因编辑。
- (一)首先，Cas9蛋白被引导RNA带到我们想要改变的基因上的适当位置。(B)PAM位点告诉Cas9在哪里切割DNA。(C)修复模板包含我们想要对基因进行的更改，它会找到DNA的切割区域，并用于修复DNA。(D)一旦DNA被修复，它将包括所需的变化!(创建BioRender.com)．
哪些东西可以用CRISPR来研究?
现在科学家们更好地理解了CRISPR/Cas9基因编辑工具，他们能用它做什么呢?图3下面是一些例子。使用CRISPR的研究通常是在细菌、酵母、蠕虫、植物和小鼠等生物体上进行的，因为它们在实验室中易于使用。2］．这些物种可以告诉科学家很多关于人类DNA和基因功能的信息，因为一些人类基因与其他物种的基因相同或非常相似。
- 图3 - CRISPR/Cas9的多种用途
- (一)医生可以使用CRISPR/Cas9来治疗由DNA错误引起的疾病。(B)研究人员有可能使用CRISPR/Cas9将长毛象这样的动物从灭绝中拯救出来。(C)科学家可以通过CRISPR/Cas9改变DNA来创造新产品，比如辣番茄。(D)CRISPR可用于研究，以了解基因的功能(与BioRender.com)．
一些人类疾病是由DNA中的错误引起的，这些错误可以代代相传。科学家和医生正在努力使用CRISPR/Cas9来治疗疾病，通过靶向和纠正这些DNA错误。这种治疗疾病的方法叫做基因治疗而且，由于它是非常新的，它还没有在人类身上进行全面测试。如果CRISPR/Cas9基因疗法被证明对人类是安全的，它可能是一种有前途的方法来帮助那些因DNA错误而导致疾病的人。
看到长毛象或恐龙四处走动该有多酷啊?科学家们相信他们可以使用CRISPR/Cas9使灭绝的动物复活!最近，科学家们成功地利用CRISPR/Cas9改变了大象细胞，使其含有已灭绝的长毛象的DNA。这些变化可能有助于大象具有长毛猛犸象的特征，比如毛茸茸的皮毛，这将帮助它们在寒冷的天气中生存。
公司还可以使用CRISPR/Cas9来创造新产品。想象一下，一个辣番茄有多好吃!研究人员正在探索如何改变番茄DNA，使其产生辣椒素，这种物质使辣椒变得辛辣。萨尔萨舞再也不一样了!其他科学家正在使用CRISPR/Cas9来帮助开发玉米等植物新品种。这些新品种即使在气候变化引起的干旱和热浪等极端天气事件中也能生长。
大国责任大
CRISPR/Cas9的应用令人兴奋，但科学界希望制定国际规则，以确保这项技术以安全和道德的方式使用。道德是道德准则告诉科学家他们的工作必须保护公众健康和安全吗?伦理道德确保所有的研究都尊重人权、动物福利和法律，这样科学家就不会伤害人类、动物或环境。由于CRISPR/Cas9易于使用且成本不高，因此很难控制谁使用它以及它用于什么目的。3.］．科学家们认为，如果编辑DNA被用于防止人们生病或治愈已经生病的人，那么它是道德的。但其他问题仍然存在，比如把长毛象带回来是否安全。你认为科学家应该复活灭绝的动物还是改良食物?这些都是重要的问题!
你会冒险在你的兄弟姐妹出生前改变他或她的DNA吗，即使你知道一个小错误会引发可怕的后果?科学界的大多数人都不支持冒这些风险。然而，已经有一些涉及人类胚胎的有争议的CRISPR/Cas9研究。一位名叫贺建奎的科学家在一对双胞胎出生前改变了他们的DNA。这项工作是一个世界性的丑闻，因为他编辑人类胚胎违反了道德规则[4］．科学家们必须考虑到，以不负责任的方式使用这项技术有潜在的危险。因此，世界卫生组织和其他组织正在密切监测人类基因组编辑的研究，以便以负责任的方式进行。
总结
CRISPR/Cas9系统可以保护细菌免受病毒的侵害。现在，科学家们也在实验室中使用它来编辑生物体的DNA。在实验室中改变DNA的能力使我们能够更多地了解DNA的工作原理、治疗疾病和开发新产品。如果以负责任的方式使用CRISPR/Cas9技术，它有很多好处。然而，我们必须遵守道德准则，以确保在这个过程中没有人受伤。有时，新的技术发展发生得如此之快，以至于科学家和政策制定者都无法完全做好准备。作为科学家，在努力改善人类生活的同时，我们必须时刻考虑我们所做的事情的风险。
术语表
噬菌体：↑一种只感染细菌的病毒。
核苷酸：↑是组成DNA的四个组成部分之一。它们被称为腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)。
回文序列：↑核苷酸序列:读起来相同的核苷酸的特定顺序，向前或向后例如，TAGCGAT是一个回文序列。
Cas9：↑一种像剪刀一样切割DNA的蛋白质。这种蛋白质是CRISPR/Ca9必需的一部分，这就是为什么它被包含在名称中!
指导RNA：↑一个小的RNA链，引导Cas9到它需要切割DNA的位置。
PAM网站：↑三个核苷酸序列，顺序为NGG(其中N是A、G、T或C)。这个序列就像Cas9切割DNA的虚线一样。
修复模板：↑科学家设计的DNA序列，通过添加、删除或改变DNA来修复被切割的DNA。
基因治疗：↑由DNA突变引起的疾病的一种治疗方法。如果我们修复了DNA，就能治愈疾病。
道德：↑一套确保科学家所做的工作不伤害动物或人类的规则。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
参考文献
[1]↑徐普德，兰德，张飞，2014。CRISPR-Cas9在基因组工程中的开发与应用。细胞157:1262 - 78。doi: 10.1016 / j.cell.2014.05.010
[２]↑张晟，郭峰，闫伟，戴志强，董伟，周娟等。2019。基于CRISPR/ cas9的基因工程和转录调控在工业生物学中的最新进展。前面。Bioeng。Biotechnol．7:459。doi: 10.3389 / fbioe.2019.00459
[3]↑布罗科夫斯基，C.和阿德利，M. 2019。CRISPR伦理:道德考量应用的有力工具。JMB431:88 - 101。doi: 10.1016 / j.jmb.2018.05.044
[4]↑西拉诺斯基，2019年。crispr婴儿丑闻:人类基因编辑的下一步是什么?自然．566:440-42。doi: 10.1038 / d41586 - 019 - 00673 - 1