中科院神经所的博士后左二伟可能从没想过，自己一个无心插柳的实验竟能带来如此不可思议的收获。
时光回溯到2015年四月，当时的左博士正在研究如何利用刚问世不久的CRISPR技术敲除小鼠Y染色体中的基因。Y染色体非常特殊，传统技术对敲掉它的基因无能为力，而左博士希望新技术可以帮助他突破这个瓶颈——逐一敲除Y染色体中的基因，以便理解这些基因各自的功能。
结果非常喜人，CRISPR果然能高效地敲除小鼠受精卵中Y染色体上的基因。有的基因被敲除之后能让小鼠出现弱精症，有的则会令小鼠生殖器发育不良，一切都很顺利，实验结果也基本能和前人的研究对得上号[1-2]。
敲到最后，Y染色体上只剩下三个还不曾尝试敲除过的基因——Ssty1、Ssty2和Rbmy。然而，就在敲除这三个基因的时候，发生了很诡异的事情。
简单来说，这三个Y染色体基因无论敲除哪一个，都好像会让小鼠“变性”——生下来全成了雌的。虽然科学家对这几个基因了解还不多，不过一般认为，它们也就能稍微调节一下雄性的生育力而已，再怎样也不至于让小鼠变成“女装大佬”呀。
跟导师讨论了一番后，一个有点离经叛道的想法冒了出来：
Y染色体该不会整个都没了吧……
左博士立刻着手做了一系列检测。果不其然，那些变性的小鼠的性染色体只剩下了孤零零的一条X染色体，Y染色体全都找不到了!
人类有时候也会出现性染色体只剩下一条孤独的X染色体的情况，这在医学上称为“特纳氏综合征”。这类患者出生时有着女性的外表，但是不会发育出第二性征，更不能生育，基本可以视为无性人。而小鼠与人类的情况则稍有所不同，只有一条单独X染色体的小鼠和正常雌性小鼠（有两条X染色体）基本没啥不同，一样可以发育和生殖。
只有一条单独X染色体的小鼠（左侧标XO者）和正常雌性小鼠（右侧标XX者）都有正常的雌性外生殖器（绿色箭头）和乳头（红色箭头）。图片来源：参考文献[3]
为啥敲除这三个基因能让整个Y染色体都跟着陪葬呢？左博士想到了这三个基因的一种非常奇怪的特征。
无论是人类还是小鼠的大部分基因都只有一份拷贝，存放在染色体的某个特定的位置上，而Ssty1、Ssty2、Rbmy这三个基因则不一样，它们有很多拷贝，均匀地散布在整条Y染色体当中。敲除基因的时候，CRISPR就像是基因精确制导导弹，对于一般的基因来说，定点打击，破坏掉目标基因便大功告成了。但是对于Ssty1之类的多拷贝基因，情况就不同了。CRISPR会无差别地打击Y染色体上这些基因的每一个拷贝。染色体就像是一座房子，你在墙上打一个洞，修修补补也能恢复如初，但要是你把这房子直接打成个筛子，那它就只有垮掉的份了。遭受重创的染色体也很难在如此严重的破坏中恢复过来，只能被细胞当成垃圾清理掉。所以，整个Y染色体都没了。
对拥有XY染色体的细胞（XY），可以用DNA-FISH技术给X染色体打上红色标记，Y染色体打上绿色标记，成功敲除Y染色体的细胞（XO）当中Y染色体不复存在了。图片来源：参考文献[3]
左博士突然意识到，人类似乎还从未想过能在细胞中“删除”一整条染色体。这下，想不搞个大新闻也不行了。
科学家嘛，总得跑得比所有人都快才行。在接下去的一段时间里，左博士几乎到了茶饭不思的地步，甚至曾连续三个星期寸步不离实验室，饿了就托人给他买个饼吃，困了就趴桌子上打个盹。
左博士首先要搞清楚的问题是，这样的手段是只能敲除Y染色体呢，还是什么染色体都能敲。毕竟，Y染色体个头最小，而且缺乏自我修复机制，别的防高血厚的染色体可不见得吃这一套呀。于是，左博士先拿另一条性染色体——X染色体——试了试水。果然，也没问题。
那接下来，就要考虑些实在的东西了。
大家可能听说过一种叫做“唐氏综合征”的疾病。这种疾病还有一个名字，叫做“21-三体综合征”。什么意思呢？一般人只有两条21号染色体，而唐氏综合征患者细胞中有三条，多了一条21号染色体。唐氏综合征是造成新生儿染色体异常疾病中最多见的一种，发生率高达1/600 – 1/800。唐氏综合征患者智力低下，且常常合并心脏畸形、唇腭裂等，给家庭和社会都会造成不小的负担。
唐氏综合征患者智力低下，且常常合并心脏畸形、唇腭裂等，给家庭和社会都会造成不小的负担。图片来源：wikipedia | 摄影：Vanellus Foto
目前常规的产前检查项目在预防唐氏综合征方面，主要以抽血检测“唐氏筛查”为主。对于结果异常或存在其他高危因素的孕妇再进一步进行“羊水穿刺”。然而，唐氏筛查的准确率只有60% - 70%，这意味着即便做了规范的产前检查，依然有很多患有唐氏综合征的胎儿不会被检出，以至于孕中晚期胎死宫内，或者最终生出有缺陷的孩子来[4]。“羊水穿刺”虽然准确率高，但也存在感染、羊水泄漏，甚至诱发流产等风险[5]。
那能不能直接用CRISPR敲掉“唐氏综合征”患者那条“多余”的21号染色体呢？
为了验证这个想法，左博士找来了唐氏综合征患者的细胞，将它们养在培养皿里。他将自己设计的敲除21号染色体的CRISPR系统转入这些细胞中，果不其然，经过一段时间的培养和筛选后，这些细胞的21号染色体数量逐渐恢复了正常。
在体外培养的人类唐氏综合征细胞（左图）中，所有细胞都是三个21号染色体（，绿色箭头标记）经过染色体敲除后，大部分细胞都只剩下了两个21号染色体（右图）。图片来源：参考文献[3]
更妙的是，左博士所设计的染色体敲除系统不但高效便捷，而且还“短小精悍”，可以包装到诸如腺相关病毒（AAV）之类的病毒递送系统里。病毒就是自然界天然的“基因快递小哥”，可以把基因投送到动物的细胞内。因此，理论上，这套CRISPR染色体敲除系统完全可以用来纠正已经出生的“唐氏综合征”患儿的21号染色体数量。目前，左博士所在的杨辉实验室就正在全力以赴，攻克治疗唐氏综合征的难关。
不过话理论设想虽如此，前方的道路依然充满了艰辛，还有很多困难亟待解决。之前的Y染色体在动物体内独一无二，下狠手去敲就是了。但“唐氏综合征”患者的三条21号染色体长得基本一样，用力过猛就难保矫枉过正，把三条都给搞没了，岂不是治病不成还反要了人命么。
左博士和同事们（也包括我）也正试图解决这个“特异性”的问题。人体内的两组染色体一组来自父亲，一组来自母亲，正常情况下，父母的基因是有一定差别的，因此分别来自父母的两条21号染色体也应该有一定的差别。我们正是从这点着手，试图设计出能够专门针对某一条21号染色体的敲除方案。
说实在的，这是我加入到杨辉实验室以来所见过的最“难产”的论文——不但是科研本身几乎就是整个团队在燃烧生命，后期历时一年半有余的投稿过程更是一言难尽。最终，这项凝聚着无数人期盼的工作也没有发到大家心仪的期刊上，那种失望之情至今记忆尤深。然而后来，这项研究受到媒体关注后，有一些“唐氏综合征”患儿的家长给课题组发来邮件，说这项研究又让他们重新燃起了希望。我们突然感受到了这一切的意义。
人生能有多少回奋斗，有幸能用辛劳让世界稍微变得更好一点点，为那么一小群人点燃一点点微薄的希望。挺好，挺好。（编辑：明天）
感谢飞刀断雨对本文的帮助。
参考资料：
- Zuo, E., Cai, Y. J., Li, K., Wei, Y., Wang, B. A., Sun, Y., ... & Hui, Y. One-step generation of complete gene knockout mice and monkeys by CRISPR/Cas9-mediated gene editing with multiple sgRNAs. Cell Research, 2017 Jul;27(7):933-945.
- Wang, H., Hu, Y. C., Markoulaki, S., Welstead, G. G., Cheng, A. W., Shivalila, C. S., ... & Page, D. C.. TALEN-mediated editing of the mouse Y chromosome. Nature biotechnology, 2013 31(6), 530-532.
- Zuo, E., Huo, X., Yao, X., Hu, X., Sun, Y., Yin, J., ... & Hui, Y. (2017). CRISPR/Cas9-mediated targeted chromosome elimination. Genome Biology, 18, 224.
- 谢幸, 苟文丽, 妇产科学第八版
- 陆海燕, 郑建丽, 陆晶晶, 施宁, 姚水生, 管永娟, 杨芳芳, 许孟军. 孕中期产前筛查与羊水染色体产前诊断结果与分析[J]. 中国优生与遗传杂志, 2016, 24(5): 55-56