Nature：CRISPR编辑的蘑菇也不用监管了 已具有了抗褐变的能力(5)

 

　　这对专注科研的实验室来说倒不是个大问题。基因组编辑蘑菇的故事在2013年10月迎来一个决定性地转折，当时杨教授在宾夕法尼亚州立大学的校友戴维·卡罗尔(David Carroll)偶然来拜访他，卡罗尔是Giorgi Mushroom公司的董事长，他想知道新兴的基因组编辑技术是否可以用于改良蘑菇。鉴于CRISPR产生精准突变的强大能力，杨教授说：“你是想获得哪种预期的性状呢？”卡罗尔建议从抗褐变着手，杨教授当即同意可以试一试。

 

　　杨教授明确知道他需要编辑哪个基因。生物学家们已经鉴定出一个包括六个基因的家族，这个家族的每一个基因都可以编码引起褐变的酶(同类的基因也会引起苹果和土豆的褐变，这两个物种中相应基因也已经通过基因组编辑技术获得了抗褐变的品种)。其中四种褐变基因会在蘑菇的子实体中产生大量的酶，因此杨教授认为，如果能够通过基因组编辑技术引入突变，关闭它们之中某一个基因的功能，那么他就很有可能减缓褐变的速率。

 

　　借助于CRISPR系统，生物学家们可以量身定制一个分子工具来实现这类突变，就像一个集合了罗盘、剪刀和钳子等功能的多用途刀具一样，这些工具在完成两种任务方面极具优势：识别特定的DNA序列以及随后的剪切过程(蛋白钳、或称为支架蛋白会在剪切过程中将每一个组件固定在特定位置)。特定序列的识别有赖于一个称之为指导RNA的小片段核酸，这一小段核酸是特别设计用来识别特定DNA序列的，可通过沃森和克里克提出的 的碱基配对原则(即A碱基与T碱基配对，C碱基与G碱基配对)与相应序列进行互补配对。如果你设计指导RNA的长度是20个碱基，那么它将会以类似GPS的精度在双孢蘑菇含有三千万个碱基的基因组DNA上找到与之对应的序列。随后会通过名为Cas9的酶来进行切割，Cas9最初是从奶酪的细菌培养物中分离出来的。 我们常说的“CRISPR/Cas9”其实是有点用词不当的，因为CRISPR是指成簇的、规律间隔的短回文重复序列，是指细菌中才有的小片DNA；而“装载”了RNA定位序列的Cas9蛋白才是真正的用于植物、真菌和人类DNA编辑的元件，即便没有CRISPR的参与，Cas9蛋白也可以行使编辑功能。

 

　　一旦基因组编辑元件在DNA上特定位置切下第一刀，接下来基因突变的“脏活累活”就完全交给大自然的鬼斧神工去完成了。任何时候，只要DNA的双螺旋结构被切开，细胞就会立马发现伤口并且会进行切口的修复工作。然而，这些修复反应并不是完美无缺的，这也是CRISPR能够在产生突变方面如此之强大的原因所在。在修复过程中，DNA往往会有几个碱基会被删除掉；由于细胞中的蛋白质生产机器是以三联体密码的形式读取DNA序列的，因此少数几个碱基的删除会彻底破坏后续的整个蛋白序列， 因此，“读码框的移码”就会使得基因完全失活，这就是基因组编辑蘑菇中真实发生的情况。在杨教授的研究工作中，一个微小的DNA序列的删除使得一个促使褐变的酶失活——杨教授及其合作者通过DNA序列分析对这一突变进行了核实。据杨教授说，任何一个有经验的分子生物学家都可以在三天时间内建立起一个量身定制的突变工具，用于编辑几乎任何生物体内的任何一个基因。

 

　　经常使用CRISPR的科学家们深有同感：它快速、便宜且易操作。杨教授的实验室仅仅只用了两个月时间就研发出了抗褐变的蘑菇；对杨教授来说，这种研究工作已是家常便饭。这一技术的成本低的令人难以置信。最艰难的一步——合成指导RNA和支架蛋白，仅仅只需要几百美元；许多小型生物公司现在按照客户要求制备CRISPR复合体来编辑任何任何基因。最大的成本是人力：Xiangling Shen，他是杨教授实验室的博士后，部分时间参与这一课题。杨教授说到：“如果不考虑人力成本，其成本可能还不到一万美元。”在农业生物技术领域，这一成本几乎可以忽略不计。