CRISPR 技术的源起与发展
01
发现与命名
CRISPR 系统的历史可以追溯到对微生物基因组结构的早期观察。
1987年，日本大阪大学的分子生物学家石野良纯（Yoshizumi Ishino）在研究大肠杆菌基因组时，发现了奇特的重复序列。
这些重复序列长 29 个碱基，重复出现了 5 次，并且它们之间被 32 个碱基组成的杂乱序列分隔。然而，在当时，这种现象并未引起足够重视。
到2001年，重复序列的重要性逐渐浮现。西班牙科学家 Francisco Mojica 在数据库中发现，超过 20 多种微生物基因组中也包含这种重复序列。
同年，Mojica 和同事 Rudd Jansen 决定将这种规律间隔的短回文重复序列正式命名为 CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）。
02
机制揭示与工具化
在命名之后，科学界开始探究 CRISPR 序列的功能。
2002年，Jansen 团队紧接着发现了伴随 CRISPR 序列的一系列基因，并将这些基因命名为 cas 基因，其编码的蛋白即为 Cas 蛋白。科学家们提出假说：CRISPR-Cas系统就是细菌用来抵御噬菌体入侵的免疫系统。
随后，实验证实了这一假说：细菌在遭受病毒感染后，会把病毒的特征序列小心地留下，并存放在自己的基因池中，以便下次再被感染时，能够快速识别并进行抵御、逃逸。这套由 CRISPR 序列和 Cas 蛋白组成的系统，因此被视为一种可遗传的免疫记忆。
03
核心突破
虽然 CRISPR 机制很早被发现，但由于其天然体系需要多个 Cas 蛋白共同作用，结构复杂，曾被认为很难进行人为操纵。
真正将 CRISPR-Cas 系统推向基因编辑革命浪潮的关键突破发生在 2012年。
2012年，瑞典于默奥大学的 Emmanuelle Charpentier 率先发现在体外的生化实验中，单一 Cas 蛋白（Cas9） 携带两条 RNA 分子（crRNA 与 tracrRNA）就能完成对靶向 DNA 的切割。当时，这一蛋白被称作 Csn1，后被命名为 Cas9 蛋白。
随后，她与加州大学伯克利分校的结构生物学家 Jennifer Doudna 合作，将天然的双 RNA 系统工程化整合为单条 sgRNA，保留原有结构特征的同时显著简化了操作。
在 2012年发表于《科学》的论文中，她们首次论述了 CRISPR-Cas9 系统作为基因编辑工具的可能性，证实了 CRISPR-Cas9 系统可以作为 RNA 指令型的基因编辑工具，能够执行靶向切割。该系统打破了前代技术 ZFN 和 TALEN 的壁垒，实现了科学家们指哪打哪的愿景。
2013年初，Cas9 系统被应用到人工设计的序列中，实现了高效的基因编辑，并且完全可以应用在哺乳动物细胞中。同年，Zhang 等开发了利用 CRISPR-Cas 系统对基因组定向编辑的新方法，进一步提高了编辑的效率和可靠性。
04
持续发展
自2012年之后的短短 7 年间，CRISPR 技术迅速成熟，相关论文数量急剧增长。除了Cas9外，越来越多的细菌中携带的 CRISPR 系统被挖掘出来，并被开发成基因编辑工具箱。
✅ Cas12a (Cpf1)： 属于 V 型系统，相比 Cas9，其优势在于不需要 tracrRNA 即可靶向切割 DNA，这极大地拓展了基因编辑靶位的选择范围，弥补了 CRISPR-Cas9 系统存在的不足。
✅ Cas13a： 能够特异性地靶向并切割 RNA，用于抑制哺乳动物细胞中的内源性 RNA。
✅ 衍生工具： 研究人员还利用 Cas 蛋白的骨架，开发出可以在不切割 DNA 的情况下进行编辑的衍生工具，例如 Base editor（单碱基编辑） 和 Prime editing 工具，这为基因编辑带来了新的思路。
CRISPR 系统的快速演化与多样性使其在功能基因组学、转录调控、以及 DNA 成像等领域展现出巨大的潜力。
虽然CRISPR-Cas系统仍面临脱靶等挑战，但随着分子机制的不断深入理解，CRISPR-Cas 系统将更好地应用于人类基因治疗、靶向药物研发、人类疾病动物模型的创制等方面，在不远的未来造福普通人的生活。
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