杰伊·约翰逊的 DNA 被切成了碎片。微小的分子剪刀将它切成细胞无法轻易修复的片段。细胞尽力快速修补，但该基因实际上已变得无用。当受损的残骸即将被注入约翰逊体内时，他坐在宾夕法尼亚大学医院的安静病房里，思考着自己的命运。“天哪，如果这真的奏效了，”他想，“那将是惊人的。”
杰伊·约翰逊参与了一项临床试验，该试验正在测试一项能够精确切割和修改 DNA 的革命性技术，该技术可能治愈他的艾滋病。这项新疗法正在针对长期以来被认为基因疗法无法企及的疾病进行测试，包括艾滋病、脑癌和阿尔茨海默病。科学家们受到自然的启发，并由研究人员工程化，发现了三类能够切割和粘贴 DNA 的蛋白质，它们都以略显笨重的首字母缩写词而闻名：ZFNs、TALENs 和 CRISPRs。
ZFNs：锌指核酸酶
在探索非洲爪蟾的基因组时，科学家们注意到一种奇怪的蛋白质紧密地结合在蟾蜍的 DNA 上。当他们绘制出蛋白质的三维结构时，他们惊讶地看到了类似手指的细长环，它们以非凡的力量抓住蟾蜍的基因。将这些环结合在一起的是一个稳定的锌离子。由于其不同寻常的手状结构，他们将这种蛋白质命名为锌指。
十年后，当时在约翰霍普金斯大学担任博士后研究员的斯里尼瓦桑·钱德拉塞卡兰（Srinivasan Chandrasegaran）思考如何实际利用这些粘性蛋白。问题在于，每个锌指只能识别一小段 DNA，大约三个碱基。这使得这种组合不够特异，无法靶向人体内的基因。如果他想利用这些蛋白质来靶向特定的 DNA 片段，他就需要更长的识别序列。钱德拉（Chandra），这是他朋友们给他的昵称，有一个简单的解决方案。他将六个蛋白质缝合在一起，这样，他拥有的识别序列就不是三个碱基，而是十八个碱基，这足以识别基因片段。
但仅仅结合 DNA 并不足够。他还必须想办法改变它。钱德拉决定借鉴细菌用来从其基因组中切除病毒的酶。这种巧妙的防御机制被称为限制性内切酶，是切割 DNA 的理想方法。钱德拉选择了 FokI 限制性内切酶，它以其能够干净利落地切割而闻名。钱德拉将锌指的 DNA 结合能力与 DNA 切割酶结合起来。一个锌指核酸酶（ZFN）就此诞生。
为了使这项技术在人体内安全使用，两个 ZFNs 被直接递送到细胞核中，在那里它们结合到围绕其遗传“猎物”的两个独立的 DNA 片段上。然后，切割酶二聚化，相互锁定。只有在它们锁定在一起后，酶才能参与进来，切断 DNA。细胞很难修复这种双链断裂，因此最终结果是一个被破坏且功能失调的基因。类似的过程也可以用来修复基因而不是破坏它，从而允许将遗传物质插入细胞。在一项重大突破中，科学家们使用这种方法现在几乎可以靶向任何基因。
一家位于加利福尼亚的小型生物技术公司 Sangamo Biosciences 已经将 ZFNs 商业化。Sangamo 目前正在进行临床试验，治疗范围涵盖从艾滋病到血友病再到阿尔茨海默病的各种疾病。
突破似乎近在眼前。今年三月，发表在《新英格兰医学杂志》上的一篇文章报道了一项针对艾滋病的 II 期临床试验结果。该试验通过切割CCR5基因来治疗艾滋病。CCR5 基因有点像阑尾——对人体健康不是必需的。另一方面，它对艾滋病至关重要。绝大多数艾滋病毒株需要 CCR5 受体才能进入人体细胞。由于一种称为Δ32的突变，携带缺陷基因的人对病毒具有抵抗力，这也是 Sangamo 希望通过切割该基因来治疗艾滋病的另一个原因。他们的研究发现，在接受测试的 12 人中，该技术是安全的。这仍然是非常早期的阶段，但数据显示出有希望的迹象，接受 ZFNs 修饰的细胞数量的增加与艾滋病毒的减少相对应。杰伊·约翰逊是接受这种前沿疗法以期治愈艾滋病的 12 人之一。
TALENs：转录激活因子样效应核酸酶
ZFNs 来自一种小型的水生青蛙，而 TALENs 则是从细菌中改编而来的，特别是从一种名为*黄单胞菌*（Xanthomomas）的植物病原体中提取的，这种病原体侵蚀植物的基因组。
张峰（Feng Zhang）在麻省理工学院攻读研究生，对基因组修改的复杂性感到沮丧。由于 ZFNs 通过其手指状的延伸结构来抓取 DNA，因此设计和生产成本都很高。为了解决这个问题，张峰转向了 TALENs。
这些蛋白质中没有类似手指的结构。相反，DNA 结合方式让人想起我们细胞中自然发生的结合方式。构成 TALENs 的氨基酸与它们切割的 DNA 序列精确对齐。改变 TALENs 中的氨基酸可以改变其结合的序列，从而使蛋白质的定制修改更加简单。更好的是，每个 TALEN 能识别 17 个碱基的 DNA，这足以识别一段人体 DNA。这也是 TALENs 取代 ZFNs 的原因之一。
TALENs 使用与 ZFNs 中切割 DNA 的 FokI 酶相同的酶，这使得设计能够特异性结合人体 DNA 的 TALENs 相对容易。在这两种过程中，两个结合剂夹在基因两侧，然后进入，酶产生细胞无法恢复的双链断裂。
虽然 ZFNs 已经存在了十年，但 TALENs 相对较新。它们不像 ZFNs 那样有严格的人体安全测试。但尽管研究仍在进行中，TALENs 在疾病建模方面已被证明很有用。科学家们已经创建了疾病细胞系，这些细胞系除单个 TALENs 诱导的突变外完全相同。这是反向遗传学的理想系统，可以追溯单个基因突变对其在细胞中影响的分析。目前已经建立了丙型肝炎、血液胆固醇水平、胰岛素敏感性等疾病模型。TALENs 在基因组编辑方面非常有效，并且由于其固有的简单性，可能会在人体中使用。
CRISPRs：规律间隔的短回文重复序列聚集
DNA 切割领域的最新成员是CRISPRs。与 TALENs 类似，CRISPRs 源自细菌对病毒的防御机制。它们是小的重复回文序列，在细菌基因组中均匀分布。在这些重复序列之间是“引导序列”，是与入侵者基因组相匹配的遗传密码小片段。它们引导 CRISPRs 到 DNA 的正确位置。在它们的帮助下，CRISPRs 结合到目标 DNA 上，形成一个与入侵者遗传密码紧密的结构。CRISPRs 不使用像 ZFNs 和 TALENs 那样的 FokI 核酸酶，而是使用 Cas9，一种类似的细菌酶，能够对 DNA 进行深度切割。但酶的作用是相同的：由于它会产生双链断裂，细胞无法修复。与 ZFNs 和 TALENs 一样，该基因将被停用。（同样与 ZFNs 和 TALENs 一样，可以在切割位点添加 DNA 以潜在地修复基因。）
在这三者中，CRISPRs 拥有最优雅的设计。这里不需要复杂的蛋白质结构，只有与切割酶相连的简洁的遗传密码。这种简单性创造了流畅的细胞递送，这是一个巨大的优势。然而，在某些方面，这种纯粹的简单性也令人担忧。该系统没有相同的安全措施来防止脱靶效应，例如，如果蛋白质失控并可能在未经预期的位点进行切割。
张峰（Feng Zhang）一直是 CRISPR 开发的前沿人物，他迅速地生产了突变细胞系和小鼠模型。在短短一年内，研究人员就使用 CRISPRs 靶向了囊性纤维化、镰状细胞贫血和自闭症的模型中的基因。过去需要数月甚至数年才能开发出疾病的动物模型，现在只需几周即可完成。
CRISPR 技术正在以闪电般的速度向前发展。今年二月，中国科学家们发表了他们对猴胚胎中 CRISPRs 的研究。他们靶向了参与发育的生理基因。这两只幼年灵长类动物目前正受到密切观察。值得注意的是，研究人员能够一步修改两个基因。尽管担心脱靶效应，但尚未观察到任何脱靶效应。相反，出现了其他担忧。一些团体担心这项技术可能会扩大动物试验的作用。有一点是肯定的：随着 CRISPRs 在灵长类动物模型中的应用，这项技术正朝着在人类中使用迈进。
CRISPRs 的潜力在最近《自然·生物技术》的一项研究中得到了清晰的体现。麻省理工学院的研究人员利用这项技术，在一种罕见的人类遗传疾病酪氨酸血症的小鼠模型中纠正了 FAH 基因的突变。这种疾病会导致酪氨酸氨基酸过量，从而导致肝功能衰竭甚至死亡。患有该疾病的人服用药物来控制氨基酸的产生。在小鼠模型中，患有该疾病的动物通过相同的药物控制了疾病。但在 CRISPRs 被递送到动物体内后，经过修饰的细胞增殖，最终占到动物所有肝细胞的三分之一，并最终治愈了接受测试的三只小鼠。
基因组手术有潜力治疗各种各样的人类疾病。但伴随这种潜力而来的是对永远改变一个人 DNA 的伦理和科学上的担忧。
回到宾夕法尼亚大学医院，杰伊·约翰逊对将他自己被切碎的 DNA 通过静脉注射回血液中感到乐观。ZFNs 处理过的细胞输送到他的身体只用了几分钟。十分钟后，他开始感到非常寒冷。二十分钟后，痉挛开始。他感觉自己“整个身体都像一个大大的打结的球。”杰伊·约翰逊是这十二人中唯一一个出现不良反应的人。他的经历是一个重要的提醒，这些技术不仅仅关乎 DNA 切割蛋白的概念之美和功能。当付诸实践时，这些技术正在应用于人——而人，在必要时，就是新兴技术的“小白鼠”。
尽管出现了不良反应，杰伊·约翰逊仍然很健康，并且很乐意再次报名参加临床试验。他并不害怕这项技术，只是对潜在的好处抱有希望。他说，他的参与“不仅是为了我自己，也是为了科学。”
