CRISPR-Cas9 工具使科学家几乎可以随意改变基因组。它被誉为比以往的技术更容易、更便宜、更通用，已经在世界各地的实验室中迅速普及，并在医学和基础研究中找到了新的应用。
但尽管如此，CRISPR-Cas9 也有其局限性。加州大学圣地亚哥分校的生物工程师 Prashant Mali 说，它非常擅长定位到基因组上的特定位置并在那里切割。“但有时你感兴趣的应用需要更多。”
今年早些时候，研究人员对一种名为 NgAgo 的可能的新基因编辑系统的狂热，揭示了人们对 CRISPR-Cas9 的潜在不满，以及寻找替代方案的动力。“这提醒我们，每项新技术都是多么脆弱，”马萨诸塞州波士顿哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇说。
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NgAgo 只是不断增长的基因编辑工具库中的一种。有些是 CRISPR 主题的变体；另一些则提供了编辑基因组的新方法。
迷你版
CRISPR-Cas9 有朝一日可能会被用来改写导致遗传疾病的基因。但是该系统的组成部分——一种叫做 Cas9 的酶和一段将酶引导到所需序列的 RNA——对于塞进基因疗法中最常用的病毒基因组来说太大了，该病毒用于将外来遗传物质转移到人类细胞中。
解决方案是以迷你 Cas9的形式出现，它来自金黄色葡萄球菌。它足够小，可以挤进目前市场上的一种基因疗法中使用的病毒中。去年 12 月，两个研究小组在小鼠身上使用了迷你版 Cas9，以纠正导致杜氏肌营养不良症的基因。
扩大范围
Cas9 不会在它被引导到的任何地方进行切割——必须在附近存在特定的 DNA 序列才能发生这种情况。在许多基因组中，这种需求很容易满足，但对于某些实验来说，这可能是一个令人痛苦的限制。研究人员正在寻找微生物，以提供具有不同序列要求的酶，以便他们可以扩大他们可以修改的序列数量。
一种这样的酶，称为 Cpf1，可能会成为一个有吸引力的替代方案。它比 Cas9 更小，具有不同的序列要求，并且具有高度的特异性。
另一种名为 C2c2 的酶靶向 RNA 而不是 DNA，这一特性为研究 RNA 和对抗 RNA 基因组病毒提供了潜力。
真正的编辑者
许多实验室仅使用 CRISPR-Cas9 来删除基因中的部分，从而消除其功能。“人们想宣布胜利，好像这就是编辑，”丘奇说。“但是烧掉书的一页不是编辑书。”
那些想将一个序列与另一个序列交换的人面临着更艰巨的任务。当 Cas9 切割 DNA 时，细胞在将断裂的末端缝合在一起时经常会出错。这会产生许多研究人员想要的删除。
但是，想要重写 DNA 序列的研究人员依赖于另一种修复途径，该途径可以插入新的序列——这一过程的发生频率远低于容易出错的缝合。“每个人都说未来将一次编辑多个基因，我认为：‘我们现在甚至无法以合理的效率完成一个’，”明尼苏达州圣保罗大学的植物科学家丹尼尔·沃伊塔斯说。
但是过去几个月的发展给了沃伊塔斯希望。今年 4 月，研究人员宣布他们已经禁用了 Cas9，并将其与一种将一个 DNA 字母转换为另一个字母的酶连接起来。被禁用的 Cas9 仍然以其引导 RNA 指示的序列为目标，但无法切割：相反，连接的酶切换了 DNA 字母，最终产生了曾经是 C 的 T。上周发表在《科学》杂志上的一篇论文报道了类似的结果。
沃伊塔斯和其他人希望将其他酶连接到被禁用的 Cas9 将允许不同的序列变化。
追求 Argonaute
5 月，发表在《自然生物技术》上的一篇论文揭示了一种全新的基因编辑系统。研究人员声称，他们可以使用一种名为 NgAgo 的蛋白质在预定位置切割 DNA，而无需引导 RNA 或特定的相邻基因组序列。相反，该蛋白质（由细菌产生）使用与目标区域相对应的短 DNA 序列进行编程。
这一发现引发了一波兴奋和猜测，认为 CRISPR-Cas9 将被取代，但迄今为止，实验室未能重现结果。即便如此，首尔国立大学的基因组工程师金真秀表示，人们仍然希望由其他细菌产生的 NgAgo 所属家族（称为 Ago 或 Argonaute）的蛋白质能够提供前进的方向。
编程酶
其他基因编辑系统也在研发中，尽管有些已经停滞多年。对于一个旨在编辑细菌基因的大型项目，丘奇的实验室根本没有使用 CRISPR。相反，该团队主要依赖一种称为 lambda Red 的系统，该系统可以被编程为在不需要引导 RNA 的情况下改变 DNA 序列。但是，尽管丘奇的实验室进行了 13 年的研究，lambda Red 仅在细菌中起作用。
丘奇和麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的生物工程师张峰说，他们的实验室也在开发称为整合酶和重组酶的酶，以用作基因编辑器。“通过探索酶的多样性，我们可以使基因组编辑工具箱更加强大，”张说。“我们必须继续探索未知领域。”
本文经许可转载，并于 2016 年 8 月 8 日首次发表。