CRISPR-Cas9是細菌在漫長的進化過程中演化出的重要防御機制。這個監控體系能夠根據引導RNA（gRNA）的指示，靶標并降解入侵者的遺傳物質。現在，CRISPR-Cas9已經成為了炙手可熱的基因組編輯工具，幫助世界各地的研究者們解決實際問題。近年來，這一技術在多個領域中展現了自己強大的實力，催生了大量的重要成果。

日前，哈佛大學和麻省理工的研究團隊開發了雙重功能的CRISPR-Cas9系統，能夠同時實現基因組工程和基因調控。這一重大突破發表在九月七日的Nature Methods雜志上。

CRISPR-Cas9系統最初用于特異性修改基因序列，被視為基因組工程領域的革命性工具。細菌免疫系統的天然蛋白Cas9，能像分子剪刀一樣精確切割或編輯特定的DNA片段。不過最近科學家們也開始用CRISPR-Cas9系統進行基因調控，隨心所欲的開/關基因。

不論是基因組工程還是基因調控，CRISPR-Cas9的第一步是相同的：引導RNA通過序列互補原則將Cas9帶到基因組特定位點，使其與目的基因結合。不過到目前為止，基因組工程和基因調控需要用到不同的Cas9蛋白。基因組工程依賴Cas9的DNA剪切活性，而基因調控需要去除其剪切活性，只保留Cas9結合目標基因的能力。基因調控所用的Cas9變體通常與調控基因表達的蛋白融合在一起。

哈佛大學的George Church和麻省理工的Ron Weiss領導研究團隊開發了一個新策略，成功用一種Cas9同時完成兩項任務。他們使用經過改造的引導RNA和化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9蛋白，在切割特定基因的同時調控其他基因的表達。這一技術大大增加了基因組編輯和基因控制的復雜性，有助于更好的研究疾病和藥物的作用機理。

著名遺傳學George M. Church是哈佛醫學院的遺傳學教授、Wyss研究所的核心成員。他被譽為是個人基因組學和合成生物學的先鋒。1984年，Church和Walter Gilbert發表了首個直接基因組測序方法，該文章中的一些策略現在仍應用在二代測序技術中。此外，如今的多重化分子技術和條碼式標簽也是他發明的，Church還是納米孔測序技術的發明者之一。

研究顯示，引導RNA的長度起到了關鍵性作用，能夠決定Cas9結合DNA之后是否進行切割。這一發現正是這項研究的關鍵所在。“過度截短引導RNA會使Cas9不能切割其基因組靶點，我們全面分析了這其中的原因，”博士后Alejandro Chavez說，他和Samira Kiani是這篇文章的共同第一作者。

研究人員在人類細胞中證實，過短的引導RNA的確讓Cas9無法切割靶基因。然而出人意料的是，截短引導RNA并不影響Cas9與靶基因的結合。人們可以在此基礎上，用Cas9把基因調控蛋白送到特定的基因上。

“我們可以根據引導RNA的這種原則，用一種蛋白獲得對基因序列和基因表達的直接控制，幾乎所有DNA都能轉變為調控序列，幫助我們進一步操縱細胞。這一技術將為我們揭示重要過程背后的復雜互作（比如癌癥耐藥性和干細胞分化），或者幫我們設計更高級的人工基因回路，”Church說。

“雙功能CRISPR-Cas9可以提升我們的能力，破解致病基因之間的復雜關系，”文章的一位共同作者，Marcelle Tuttle說。這一技術也可以用于工業領域，促進基因工程菌株（E. coli等）大規模生產化合物和燃料，同時保護這些菌株不被其他病原體感染。

“使用Cas9這種革命性工具，我們將征服新的生物醫學和工業領域。這項研究顯著提高了CRISPR-Cas9的控制水平，進一步拓展了這一系統的應用范圍，”Wyss研究所的Donald Ingber博士說。

Church和哈佛大學Wyss研究所的同事前不久還在Nature Methods雜志上發表過另一個革命性的CRISPR-Cas9技術。過去的基因表達研究只能一次研究一個基因，Church等人將Cas9與延長了三倍的轉錄因子融合起來，使其能夠強力控制單個或多個基因，決定遺傳學性狀是否表達及其表達程度。據介紹，該技術可以揭示一連串基因回路對生物過程的影響（比如組織發育或疾病發生），也可以精確指導干細胞分化，生成再生醫學所需的移植器官。研究人員已經在體外培養的酵母、果蠅、小鼠和人類細胞中證實了這一技術操縱基因表達的能力。