這對專注科研的實(shí)驗(yàn)室來說倒不是個大問題。基因組編輯蘑菇的故事在2013年10月迎來一個決定性地轉(zhuǎn)折，當(dāng)時楊教授在賓夕法尼亞州立大學(xué)的校友戴維·卡羅爾(David Carroll)偶然來拜訪他，卡羅爾是Giorgi Mushroom公司的董事長，他想知道新興的基因組編輯技術(shù)是否可以用于改良蘑菇。鑒于CRISPR產(chǎn)生精準(zhǔn)突變的強(qiáng)大能力，楊教授說：“你是想獲得哪種預(yù)期的性狀呢？”卡羅爾建議從抗褐變著手，楊教授當(dāng)即同意可以試一試。

 

　　楊教授明確知道他需要編輯哪個基因。生物學(xué)家們已經(jīng)鑒定出一個包括六個基因的家族，這個家族的每一個基因都可以編碼引起褐變的酶(同類的基因也會引起蘋果和土豆的褐變，這兩個物種中相應(yīng)基因也已經(jīng)通過基因組編輯技術(shù)獲得了抗褐變的品種)。其中四種褐變基因會在蘑菇的子實(shí)體中產(chǎn)生大量的酶，因此楊教授認(rèn)為，如果能夠通過基因組編輯技術(shù)引入突變，關(guān)閉它們之中某一個基因的功能，那么他就很有可能減緩褐變的速率。

 

　　借助于CRISPR系統(tǒng)，生物學(xué)家們可以量身定制一個分子工具來實(shí)現(xiàn)這類突變，就像一個集合了羅盤、剪刀和鉗子等功能的多用途刀具一樣，這些工具在完成兩種任務(wù)方面極具優(yōu)勢：識別特定的DNA序列以及隨后的剪切過程(蛋白鉗、或稱為支架蛋白會在剪切過程中將每一個組件固定在特定位置)。特定序列的識別有賴于一個稱之為指導(dǎo)RNA的小片段核酸，這一小段核酸是特別設(shè)計(jì)用來識別特定DNA序列的，可通過沃森和克里克提出的 的堿基配對原則(即A堿基與T堿基配對，C堿基與G堿基配對)與相應(yīng)序列進(jìn)行互補(bǔ)配對。如果你設(shè)計(jì)指導(dǎo)RNA的長度是20個堿基，那么它將會以類似GPS的精度在雙孢蘑菇含有三千萬個堿基的基因組DNA上找到與之對應(yīng)的序列。隨后會通過名為Cas9的酶來進(jìn)行切割，Cas9最初是從奶酪的細(xì)菌培養(yǎng)物中分離出來的。 我們常說的“CRISPR/Cas9”其實(shí)是有點(diǎn)用詞不當(dāng)?shù)模�因�(yàn)镃RISPR是指成簇的、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列，是指細(xì)菌中才有的小片DNA；而“裝載”了RNA定位序列的Cas9蛋白才是真正的用于植物、真菌和人類DNA編輯的元件，即便沒有CRISPR的參與，Cas9蛋白也可以行使編輯功能。

 

　　一旦基因組編輯元件在DNA上特定位置切下第一刀，接下來基因突變的“臟活累活”就完全交給大自然的鬼斧神工去完成了。任何時候，只要DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)被切開，細(xì)胞就會立馬發(fā)現(xiàn)傷口并且會進(jìn)行切口的修復(fù)工作。然而，這些修復(fù)反應(yīng)并不是完美無缺的，這也是CRISPR能夠在產(chǎn)生突變方面如此之強(qiáng)大的原因所在。在修復(fù)過程中，DNA往往會有幾個堿基會被刪除掉；由于細(xì)胞中的蛋白質(zhì)生產(chǎn)機(jī)器是以三聯(lián)體密碼的形式讀取DNA序列的，因此少數(shù)幾個堿基的刪除會徹底破壞后續(xù)的整個蛋白序列， 因此，“讀碼框的移碼”就會使得基因完全失活，這就是基因組編輯蘑菇中真實(shí)發(fā)生的情況。在楊教授的研究工作中，一個微小的DNA序列的刪除使得一個促使褐變的酶失活——楊教授及其合作者通過DNA序列分析對這一突變進(jìn)行了核實(shí)。據(jù)楊教授說，任何一個有經(jīng)驗(yàn)的分子生物學(xué)家都可以在三天時間內(nèi)建立起一個量身定制的突變工具，用于編輯幾乎任何生物體內(nèi)的任何一個基因。

 

　　經(jīng)常使用CRISPR的科學(xué)家們深有同感：它快速、便宜且易操作。楊教授的實(shí)驗(yàn)室僅僅只用了兩個月時間就研發(fā)出了抗褐變的蘑菇；對楊教授來說，這種研究工作已是家常便飯。這一技術(shù)的成本低的令人難以置信。最艱難的一步——合成指導(dǎo)RNA和支架蛋白，僅僅只需要幾百美元；許多小型生物公司現(xiàn)在按照客戶要求制備CRISPR復(fù)合體來編輯任何任何基因。最大的成本是人力：Xiangling Shen，他是楊教授實(shí)驗(yàn)室的博士后，部分時間參與這一課題。楊教授說到：“如果不考慮人力成本，其成本可能還不到一萬美元。”在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域，這一成本幾乎可以忽略不計(jì)。

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