基因的发现
基因的发现堪称人类历史上最伟大的里程碑，与到达南极点或者攀登珠穆朗玛峰比起来，它不仅更困难，而且耗时更长。通过前后三代学者的接力，才揭开了遗传的神秘面纱。
第一位踏上征途的是孟德尔。1856年，孟德尔已经完成了在维也纳大学的学业，顺利当上了神父。对于一个寒门子弟来说，这也算是人生巅峰了。不过，孟德尔没有满足于传经、布道、教授书本上现成的东西。他对遗传显然有些“离经叛道”的想法，并打算通过实验去验证它们。经过一番思索，孟德尔选择了豌豆。他首先对豌豆的性状进行分类，如高茎还是矮茎、黄色叶还是绿色叶、种子是饱满的还是褶皱的。接着，他进行了长达8年的豌豆杂交实验。高茎豌豆和矮茎豌豆杂交，有很大概率生出高茎豌豆；在这些高茎豌豆之间进行杂交，产生的高茎后代和矮茎后代之比是3:1。这说明，父亲或者母亲的性状会影响到孩子，而且它们的影响是均等的。
到了1928年，英国细菌学家格里菲斯进行了肺炎双球菌转化实验。肺炎双球菌有两种，一种有荚膜（为方便描述，以下简称为S型），对生物的免疫系统有较强的抵抗力；另一种没有荚膜（为方便描述，以下简称为R型），即使进入生物体内，也会被免疫系统消灭，几乎不产生症状。格里菲斯发现，将R型肺炎双球菌和高温杀死的S型肺炎双球菌注入到小鼠体内，小鼠会因为细菌感染而很快死亡。由此可见，S型肺炎双球菌体内的某些物质使原本无害的R型肺炎双球菌得到了生成荚膜、逃避免疫系统、感染小鼠的能力。换句话说，决定生物性状的并不是某个细胞，而是细胞内的某些物质。
在格里菲斯实验的基础上，艾弗里完成了探索基因科学之路中最耀眼的一击。他将S型肺炎双球菌分解，得到了蛋白质、类脂、多糖、RNA、DNA等多种物质，在对这些物质进行纯化之后，一一进行小鼠感染实验。结果显示，只有S型肺炎双球菌的NDA可以感染小鼠[1]。
不朽的双螺旋
如今，我们知道，NDA是生物生长、发育、新陈代谢和一切性状的决定力量。那么，这种力量是如何发挥作用的呢？为了方便描述，我们不妨把DNA想象成铅字。大家应该听说过活字印刷术，如果想印刷本文，那么，首先要准备相关的铅字，然后将它们按照正确的顺序整齐排列，接着，在铅字上涂抹一层油墨，盖上白纸，用滚筒轻轻挤压，文字就被转移到纸张上。
DNA这种“铅字”有些特殊。第一，它只有四种“文字”，即人体内的DNA由四种核苷酸组成，一般标记为A、G、C、T，三个核苷酸可以编码一个氨基酸；第二，在正常情况下，DNA是双链螺旋结构，这条链上的A只和对面链上的T结合，G只和C结合。在某些时候，比如人体内蛋白质合成或者在实验室中加以合适的温度，两条DNA链会彼此分开。信使RNA就像油墨，可以精准地将DNA上的A、G、C、T复制下来；转运RNA好比滚筒，它能识别“三个核苷酸——一个氨基酸”编码，并将氨基酸组装成蛋白质。
蛋白质，可以说是人体内最重要的物质。生长发育离不开它，心脏跳动离不开它，人体的每一个新陈代谢过程中的每一次调节都离不开它。DNA就这样通过蛋白质控制着生物。
最早的剪刀手
既然DNA是一切事件的幕后黑手，那么，通过调节患者的DNA，不就能治病了吗？这种想法是好的，但是实际操作起来很困难。首先是伦理问题。这个不是重点，我们略过不提。其次是没有工具。
DNA作为人体的遗传物质，其结构十分复杂，具有一定的稳定性，其功能涉及人体的方方面面，十分庞杂，加之体积非常小，所以要想剪辑DNA，必须找到一把特殊的剪刀。这把剪刀既要准确，顺着科研人员的心意，只对DNA做最必要的改动，又要普适，可以按照科研人员的计划进行调整，完成各种各样的剪辑任务。
最早的基因修饰技术，是通过探针，将外源性基因直接注入到胚胎内，让其自行结合；结合得多了，总有运气眷顾“碰巧对了”的时候。把这些胚胎选出来，通过近亲繁殖，进一步纯化实验动植物，直到得到想要的样本为止。这就好比说，我想把本文印刷下来，在印刷之后发现，其中某几个字打错了。正常人会挑出这几个字后替换掉，但是印刷工不识字。于是他把那几个正确的铅字丢进铅字盘里，然后不停地摇晃，只要有足够的耐心，总有恰好对的时候。但是这样的做法，不仅效率极低（在植物研究中，通常只有10-6～10-5)，而且仅对某些生物（如酵母菌）有用，根本不可能大规模展开。
到了上世纪八九十年代，类转录激活因子效应物（Transcription activator-like effector，TALE）被发现，在此基础上，建立了新一代的基因修饰技术。类转录激活因子效应物，这个名字有点吓人，不过理解起来，并不困难。前边说过，碱基的排列有特定顺序。科研工作者们发现在很多细菌中存在这样一种物质，它们可以特异性识别某些碱基排列。
还是以活字印刷术为例。老板觉得，印刷工居然是文盲，实在不像话，于是把他开除了，重新找了一个。新来的印刷工的文化水平也不高，但是好歹认识“摘要”、“报道”这俩词。如此一来，他起码能够找到文章第一段。假如印刷错误恰好出现在第一段，剪下这一长条之后，虽然还是要打散、插入、重组，但是工作量就大大减少了。但是这种技术的缺点也是显而易见的，第一，它的识别度并不高；第二，很难对它进行修改，让它适应各种情况[2]。
CRISPR/Cas9系统
1987年，日本科学家发现大肠杆菌体内存在一种特别的结构。一段段重复序列之间连着一小段间隔DNA，现在将它称为“成簇的规律间隔短回文序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats，CRISPR）”[3]。
人体内有一套主动免疫系统。当人体第一次接触某种致病微生物时，免疫细胞会把它的特征记录下来，同时，合成抗体，这样，下次再有同样的微生物入侵时，人体就能准确识别，进而将它迅速消灭。
细菌常常使人患病，但细菌也有“生病”的时候，比如被病毒感染。病毒就是一个外壳加一小段遗传物质（RNA)，借助外壳上的结构，病毒可以吸附到细菌表面，然后钻进去，释放遗传物质，运用细菌的成分，大肆复制，最终，细菌死亡，病毒被释放出来，继续感染其他的细菌。
在长期的进化中，某些细菌为了对抗病毒，发展出了一套与人体主动免疫相似的系统，就是CRISPR。当病毒入侵的时候，CRISPR可以把病毒的遗传物质（RNA)切一小段下来，保留到系统内，作为识别特征；倘若病毒不知好歹，再次入侵，CRISPR就会和CAS酶联手；后者就像抗体一样，可以迅速破坏病毒的遗传物质。
2012年，珍妮弗·道德纳和埃玛努埃勒·沙彭蒂耶意识到了这一系统的意义：因为细菌要提防的病毒很多，所以CRISPR/Cas系统可以精准地识别许多碱基序列，稍作改造，就有可能以此建立一套精准、易于调整的基因修饰系统。随后，她们将自己的发现发表到《科学（Science）》杂志上，详细介绍了CRISPR/Cas9的工作原理和制备过程。
CRISPR/Cas9系统的意义十分巨大。科学家早就知道DNA的组成、DNA的表达，缺少的只是一个顺手的工具。所以，CRISPR/Cas9系统出现以后，相关领域迅速获得突破，研究成果呈现井喷。比如2015年10月，杨璐菡及其团队宣布，她们运用CRISPR/Cas9系统成功敲除了猪内源性逆转录病毒[4]；再比如2016年4月，有学者宣布借助CRISPR/Cas9系统，在实验室内成功移除了被艾滋病毒感染的细胞基因片段[5]。
不过，CRISPR/Cas9系统通过编码RNA的顺序来达到调整剪刀的目，终究饶了一个弯。在《DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute》一文中，韩春雨宣布，他运用格氏嗜盐碱杆菌内的一种蛋白质——Argonaute，实现了DNA引导的基因组编辑[6]。这无疑更为直观而简便。所以，他的论文一经发布，就引起了巨大的关注。
基因修饰的意义
前面洋洋洒洒地说了这么多，那么，基因修饰究竟能做些什么呢？第一个好处是显而易见的，那就是为临床医生提供新的治疗方案。笔者在之前的文章中介绍过器官移植。需要器官移植的病人多，而愿意捐献器官的人少。供需不平衡意味着很大一部分病人不仅要忍受疾病的折磨，还要经历等待的绝望。有了基因剪刀，通过定向敲除内源性逆转录病毒，异种移植则成为可能。
第二，因为种种原因，我们很多时候要用动物模拟人体，进行病因探究、药效研究等。有些疾病，比如败血症，是很容易模拟的；有些则不然。你可能在生活中遇见过某个人，他只要一出汗，就有一身的鱼腥味。这不是普通的狐臭，这是鱼腥味综合征。因为基因的关系，患者缺少代谢三甲胺的酶，三甲胺无法通过正常途径排出体外，使得体液与气息含有鱼腥味，这时应该怎么用动物模拟他的这种症状呢？
传统上，是选择特定的小鼠，进行同源重组，这种方法的成本高、耗时长、操作复杂。而有了成熟的基因修饰系统就不一样了，可以直接对小鼠的胚胎细胞进行剪辑，一步到位[7]。也就是说，基因剪刀不仅是一种强大的工具，它还是制造工具的工具，将极大地减少了研究步骤，缩短研究周期。
第三个好处，最终将让每一个人受益。之前，媒体曾经报道，安吉丽娜·朱莉自曝接受接受了双乳切除手术，以降低患乳腺癌的风险。对于一个以性感闻名的女人来说，双乳切除，自然是痛苦的。要是不切除，患上乳腺癌的风险则太大。两害相较取其轻，应该说，这是一个很有勇气的决定。实际上，具有遗传倾向的疾病不仅是乳腺癌，还有血友病、鱼腥味综合征、白化症、苯丙酮尿症等，比得病更痛苦的是从生下来就有病。
随着基因技术的进步，未来的情况可能会发生改变。一方面，基因快速测序的成本不断下降，越来越多的父母有条件为后代进行基因筛查；另一方面，2015年4月，中山大学的黄军就教授成功运用CRISPR/Cas9系统编辑了人类胚胎，对能导致遗传病β地中海贫血缺陷基因进行了改造[8]。
出于伦理上的考量，科研工作者们于目前还只能用实验胚胎（无法存活、发育成人类个体）。不过，前途是光明的。有了基因工程，消除与治愈遗传疾病，只是时间问题。
总结
CRISPR/Cas9系统是近年来，基因工程领域的最大突破，而由于基因工程的重要意义，称之为影响人类文明史的发现并不为过。尤其值得一提的是，CRISPR/Cas9系统是由两位女科学家发现的，这对打破科研领域的性别偏见、鼓励更多女性投身科学，有重要的意义。科研从来不是一小撮精英的事，只有鼓励每一个人对科学的信仰，给每一个人充分接受教育的机会，科研领域才能得到新鲜的血液，最终，他们/她们努力的结果必然会让全社会受益。
参考文献
1. 高翼之. 奥斯瓦德· 西奥多· 艾弗里[J]. 遗传, 2006, 28(2): 127-128.
2.. Shan Q, Gao C. 植物基因组编辑及衍生技术最新研究进展[J]. 遗传, 2015, 37(10): 953-973.
3. 袁越，基因工程的新时代[J].三联生活周刊，2015，820（2）：154-159.
4. Yang L, Güell M, Niu D, et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs)[J]. Science, 2015: aad1191.
5. 蝌蚪五线谱，科学家成功移除被艾滋病毒感染的细胞基因片段https://news.kedo.gov.cn/hotnews/photonews/835629.shtm，2016.4.5
6. Gao F, Shen X Z, Jiang F, et al. DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute[J]. Nature biotechnology, 2016.
7. 白敏, 李崎, 邵艳姣, 等. 利用 CRISPR/Cas9 技术构建定点突变小鼠品系[J]. 遗传, 2015, 37(10): 1029-1035.
8. 吴晓丽. 2015 年生命科学热点回眸[J]. 科技导报, 34(1): 23-35.
