CRISPR虽然作为基因编辑工具，现在已经成为生物医学领域的最热门技术，几个研究该技术的科学家也一定会毫无悬念获得诺贝尔奖。但是这种技术源头本身，目前仍然存在一些重要科学问题没有被解释，解释这些问题也具有重要学术价值。

FranciscoMojica不是最早知道CRISPR现象，但是他可能是最早对CRISPR着迷的学者。1992年的一天，他开始了解到这个微生物免疫系统。对一种嗜盐菌（Haloferax mediterranei）基因组序列进行分析，他注意到14个异常的DNA序列，每个序列都是30个碱基。这些序列类似回文序列，每35个碱基重复一次。不久他找到更多类似结构。他对这种现象十分着迷，在西班牙阿利坎特大学对这个现象进行反复研究。

当时这个并不时髦， Mojica的实验室多年拿不到研究经费。在各种学术会议上，他利用各种机会请教大佬们对这种重复序列的看法，但是这些人都提醒他不要过于关心这种重复序列，许多物种都存在各种重复序列，这么多年来大家都弄不懂这些序列的作用。言外之意就是这玩意很奇怪，量你弄不明白。因为研究条件和经费限制，Mojica　发现CRISPR位点（locus）短序列重复结构后，使用序列比对方法发现重复序列之间的间隔序列其实是病毒和细菌的结合性质粒，揭示了CRISPR是细菌的适应性免疫功能。

今天CRISPR简直是如雷贯耳，不是因为这是细菌的免疫系统，而是因为经过改造后，CRISPR–Cas9已经成为基因编辑的最好工具。不过Mojica等医学微生物学家仍然考虑关于这个系统的纯基础问题，如这个系统是如何工作的？这个系统是如何进化的？这个系统对微生物进化有没有影响？为什么只有一部分微生物使用这个免疫系统？这个系统有没有其他更基本的生物学功能？

最早使用这个系统进行基因编辑的学者，加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授也认为，CRISPR所以受到大家的关注是因为这个技术成为基因编辑工具，其实这个系统本身仍然有许多基本生物学问题没有解决。

一、CRISPR从哪里来？

存在CRISPR-Cas系统的优势显而易见。细菌和古菌等原核生物一般都生活在极端环境中，经常面对各种遗传入侵者的攻击。病毒（噬菌体）数量是原核生物的10倍，据说每两天可以杀死世界上一半的细菌。原核生物之间也可以交换质粒DNA，这些质粒DNA能在宿主细菌体内寄生，消耗资源，宿主试图驱逐搭顺风车的病毒和质粒，有时候被迫采用自我毁灭的办法。从土壤、大海，一直到最荒凉的地方，细菌总是无法摆脱病毒和质粒的入侵者。

原核生物进化出了一系列应对这些威胁的武器，例如限制性内切酶可以在特定序列对目标DNA进行切割。但这些防御工具比较迟钝，每个酶只能识别特定的序列，微生物必须有正确的序列拷贝才能受到保护。CRISPR-Cas则更加灵活，能记忆特定遗传入侵者序列并给宿主提供针对入侵者的长期免疫排斥能力。荷兰瓦赫宁根大学微生物学家约翰·范德东说，第一次听说这个说法，许多人都认为这过于复杂，不可能是简单的原核生物使用的免疫工具。

Mojica等根据CRISPR回文重复序列之间序列有的和病毒基因组序列一致，提出CRISPR–Cas的功能是细菌对抗病毒的免疫系统。随后科学家证明，一旦细菌暴露于特定病毒或质粒，CRISPR相关蛋白确实能将这些序列插入宿主基因组。这些插入的序列转录的RNA可以引导Cas蛋白剪切任何能与这一序列配对的入侵DNA或RNA序列。

细菌和古菌是如何拥有了这样一套复杂的免疫系统？这个问题至今无法回答，但是主流观点认为是来自转座子。转座子是可以从基因组一个位置到另一个位置的“跳跃基因序列”。美国NIH进化生物学家Eugene Koonin等发现一组这类遗传序列能编码Cas1，这种蛋白负责将基因间隔区插入基因组。这些Cas转座子可能是CRISPR–Cas系统形成的原因。科学家现在正在研究这些序列如何从一个部位向另一个部位转移，并研究这种转移如何进化出复杂的CRISPR–Cas系统。

（待续）