CRISPR-Cas9 工具使科學家幾乎可以隨意改變基因組。它被譽為比以往的技術更容易、更便宜、更通用，已經在世界各地的實驗室中迅速普及，並在醫學和基礎研究中找到了新的應用。
但儘管如此，CRISPR-Cas9 也有其侷限性。加州大學聖地亞哥分校的生物工程師 Prashant Mali 說，它非常擅長定位到基因組上的特定位置並在那裡切割。“但有時你感興趣的應用需要更多。”
今年早些時候，研究人員對一種名為 NgAgo 的可能的新基因編輯系統的狂熱，揭示了人們對 CRISPR-Cas9 的潛在不滿，以及尋找替代方案的動力。“這提醒我們，每項新技術都是多麼脆弱，”馬薩諸塞州波士頓哈佛醫學院的遺傳學家喬治·丘奇說。
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NgAgo 只是不斷增長的基因編輯工具庫中的一種。有些是 CRISPR 主題的變體；另一些則提供了編輯基因組的新方法。
迷你版
CRISPR-Cas9 有朝一日可能會被用來改寫導致遺傳疾病的基因。但是該系統的組成部分——一種叫做 Cas9 的酶和一段將酶引導到所需序列的 RNA——對於塞進基因療法中最常用的病毒基因組來說太大了，該病毒用於將外來遺傳物質轉移到人類細胞中。
解決方案是以迷你 Cas9的形式出現，它來自金黃色葡萄球菌。它足夠小，可以擠進目前市場上的一種基因療法中使用的病毒中。去年 12 月，兩個研究小組在小鼠身上使用了迷你版 Cas9，以糾正導致杜氏肌營養不良症的基因。
擴大範圍
Cas9 不會在它被引導到的任何地方進行切割——必須在附近存在特定的 DNA 序列才能發生這種情況。在許多基因組中，這種需求很容易滿足，但對於某些實驗來說，這可能是一個令人痛苦的限制。研究人員正在尋找微生物，以提供具有不同序列要求的酶，以便他們可以擴大他們可以修改的序列數量。
一種這樣的酶，稱為 Cpf1，可能會成為一個有吸引力的替代方案。它比 Cas9 更小，具有不同的序列要求，並且具有高度的特異性。
另一種名為 C2c2 的酶靶向 RNA 而不是 DNA，這一特性為研究 RNA 和對抗 RNA 基因組病毒提供了潛力。
真正的編輯者
許多實驗室僅使用 CRISPR-Cas9 來刪除基因中的部分，從而消除其功能。“人們想宣佈勝利，好像這就是編輯，”丘奇說。“但是燒掉書的一頁不是編輯書。”
那些想將一個序列與另一個序列交換的人面臨著更艱鉅的任務。當 Cas9 切割 DNA 時，細胞在將斷裂的末端縫合在一起時經常會出錯。這會產生許多研究人員想要的刪除。
但是，想要重寫 DNA 序列的研究人員依賴於另一種修復途徑，該途徑可以插入新的序列——這一過程的發生頻率遠低於容易出錯的縫合。“每個人都說未來將一次編輯多個基因，我認為：‘我們現在甚至無法以合理的效率完成一個’，”明尼蘇達州聖保羅大學的植物科學家丹尼爾·沃伊塔斯說。
但是過去幾個月的發展給了沃伊塔斯希望。今年 4 月，研究人員宣佈他們已經停用了 Cas9，並將其與一種將一個 DNA 字母轉換為另一個字母的酶連線起來。被停用的 Cas9 仍然以其引導 RNA 指示的序列為目標，但無法切割：相反，連線的酶切換了 DNA 字母，最終產生了曾經是 C 的 T。上週發表在《科學》雜誌上的一篇論文報道了類似的結果。
沃伊塔斯和其他人希望將其他酶連線到被停用的 Cas9 將允許不同的序列變化。
追求 Argonaute
5 月，發表在《自然生物技術》上的一篇論文揭示了一種全新的基因編輯系統。研究人員聲稱，他們可以使用一種名為 NgAgo 的蛋白質在預定位置切割 DNA，而無需引導 RNA 或特定的相鄰基因組序列。相反，該蛋白質（由細菌產生）使用與目標區域相對應的短 DNA 序列進行程式設計。
這一發現引發了一波興奮和猜測，認為 CRISPR-Cas9 將被取代，但迄今為止，實驗室未能重現結果。即便如此，首爾國立大學的基因組工程師金真秀表示，人們仍然希望由其他細菌產生的 NgAgo 所屬家族（稱為 Ago 或 Argonaute）的蛋白質能夠提供前進的方向。
程式設計酶
其他基因編輯系統也在研發中，儘管有些已經停滯多年。對於一個旨在編輯細菌基因的大型專案，丘奇的實驗室根本沒有使用 CRISPR。相反，該團隊主要依賴一種稱為 lambda Red 的系統，該系統可以被程式設計為在不需要引導 RNA 的情況下改變 DNA 序列。但是，儘管丘奇的實驗室進行了 13 年的研究，lambda Red 僅在細菌中起作用。
丘奇和麻省理工學院和哈佛大學博德研究所的生物工程師張峰說，他們的實驗室也在開發稱為整合酶和重組酶的酶，以用作基因編輯器。“透過探索酶的多樣性，我們可以使基因組編輯工具箱更加強大，”張說。“我們必須繼續探索未知領域。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 8 月 8 日首次發表。