CRISPR技术新纪元：基因编辑之外的前沿探索

原创 Cell Press 河北

生命科学

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近年来，基于CRISPR的基因编辑技术在生命科学领域掀起了一场革命，不仅极大地推动了基础研究的发展，也在临床治疗、农业育种、生态治理、工业微生物技术和合成生物学等领域取得了突破性进展。然而，随着对CRISPR相关蛋白（Cas蛋白）功能的持续深入挖掘、探索和研究，科研人员逐渐发现其应用价值远不止于传统的基因组编辑范畴。

近日，上海交通大学微生物代谢全国重点实验室、生命科学技术学院童垚俊团队联合华东理工大学生物反应器工程全国重点实验室、生物工程学院张立新团队以及韩国科学技术院（KAIST）的Sang Yup Lee院士团队受邀在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Genetics发表题为“Expanding horizons of CRISPR applications beyond genome editing”的综述文章，全面系统总结了CRISPR技术在基因编辑领域之外的六大新兴应用，包括：基于核酸分子响应的分子诊断、非核酸分子感应的生物传感、基因转录调控（抑制或激活）、分子成像、蛋白质互作研究和单细胞分析等，详细阐述了CRISPR技术跨学科整合的巨大潜力，为未来研究提供了前瞻性视野（图1）。

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图1. CRISPR技术在基因编辑外的六大新兴领域及其代表性应用示意图。

CRISPR技术的新兴应用首先体现在分子诊断领域。近年来，CRISPR-Cas系统在分子诊断领域影响力快速增长。因Cas蛋白如Cas12和Cas13具有识别特异性核酸序列后激活非特异性核酸酶活性（即“旁路剪切，collateral cleavage”）的特性，这一特点使其具备了高度灵敏、快速、高特异性且便于现场检测的潜能。以SHERLOCK、HOLMES、DETECTR等为代表的检测平台，可以通过检测荧光信号等方式实现新冠、寨卡、登革热、甲型流感等病毒的现场快速检测，灵敏度达到阿摩尔级别（attomolar）甚至更低。特别是新冠疫情期间，CRISPR分子诊断技术因其无需复杂仪器、反应速度快、可现场部署等优点，被世界多国批准为紧急检测方案。此外，Cas14因其超小体积和无PAM约束的特点，有望成为下一代便携式分子检测工具，能用于复杂样本如血浆游离DNA、环境样品的精准分析。这一方向正在在朝着多靶点、多模态检测、无扩增一步法等新技术演进，辅以微流控、纸基、手机可读等手段，极大拓宽了分子诊断的应用场景（图2）。

图2. 基于核酸分子响应的分子诊断平台示意图。

除了核酸靶标外，CRISPR技术的“可编程”属性也赋能了非核酸分子的检测。研究者巧妙地将适配体（aptamer）、DNAzyme或核糖开关等合成生物学元件与CRISPR系统结合，实现了对金属离子（如铅、汞、钠）、小分子代谢物（如葡萄糖、ATP、尿酸）、抗生素、药物残留、甚至蛋白质和外泌体的现场检测。信号转换通常通过“结构重构”或“信号级联”，将非核酸分子的存在转化为能被CRISPR-Cas识别的核酸触发物。例如，DNAzyme在检测到Pb⊃2;⁺后剪切释放DNA片段，进而激活Cas12的旁路剪切活性，剪切预设计好的含有荧光基团和淬灭基团的单链DNA报告分子，从而释放荧光信号。此类传感器已应用于饮用水重金属污染检测、食品安全、环境监测和早期肿瘤标志物筛查等领域（图3）。当前，AI辅助的适配体筛选、多组分并行检测、便携式终端集成等成为该领域新的增长点。

图3. 基于非核酸分子检测的生物传感平台示意图。

另一方面，CRISPR-Cas系统通过失活的Cas蛋白（如dCas9、dCas12a），能够特异性靶向DNA并招募激活或抑制因子，实现对内源基因表达的精准调控。CRISPR干扰（CRISPRi）和激活（CRISPRa）技术已广泛应用于基础生物学、代谢工程和疾病治疗研究（图4）。例如，通过dCas9-KRAB等系统抑制目标基因，或通过融合VP64、VPR等激活结构域实现目标基因上调。这些技术在真核、原核等多种模式生物中实现了大规模功能筛选、复杂代谢通路优化和增强型合成回路设计。在工业微生物和植物育种中，CRISPR调控系统正逐步替代传统的突变育种和RNA干扰手段，展现出更高的通量、精度和可定制性。

图4. CRISPR干扰和激活技术示意图。

CRISPR-Cas系统也为活细胞的分子成像带来革命性突破。通过将dCas蛋白与荧光蛋白、量子点、近红外分子等标签结合，研究人员可以实时追踪DNA、RNA的空间分布和动态变化。CRISPRainbow、SunTag、Casilio等系统实现了多色标记和信号增强，可以同时成像多个基因座或RNA分子。此外，dCas13的开发使RNA的单分子成像成为现实，为研究转录动力学、RNA运输、亚细胞定位等提供了新工具。该技术还可与空间组学、单细胞转录组等技术集成，构建“时空多维”的生命过程图谱。当前主要挑战包括信号噪声、细胞类型适用性和大分子递送等，未来随着更小型化、更多样化的Cas工具问世，有望在基础医学和疾病早筛等领域实现广泛应用。

此外，CRISPR技术在蛋白质互作研究中也展现出巨大潜力。通过CRISPR引导的近邻标记（proximity labeling），如将dCas9、dCas13与APEX2、TurboID等生物素化酶融合，科学家能够在活细胞内高分辨率解析特定位点的蛋白质互作网络。例如，C-BERST、GLoPro等DNA中心方法可定位染色质调控元件的蛋白组，CARPID、CRUIS等RNA中心方法则能捕获lncRNA、mRNA等非编码RNA的相互作用蛋白。这一新型蛋白组学工具大幅拓展了我们对染色质构象、RNA调控、信号传导等领域的认知，尤其是在细胞分化、疾病发生、应激响应等复杂生理/病理过程中的分子机制解析。

单细胞测序与CRISPR功能扰动结合，催生了Perturb-seq、ECCITE-seq、CRISPR-sciATAC等单细胞CRISPR筛选新平台。研究者可以在单细胞分辨率下，高通量地追踪基因敲除/激活对细胞命运、信号通路和分子网络的影响，精准鉴定疾病相关基因、药物靶点以及细胞亚群异质性。例如，ECCITE-seq不仅能同时捕获sgRNA、转录组和细胞表面蛋白，还能实现多轮干扰组合筛选。此类平台极大加速了细胞发育、免疫应答、肿瘤进化等领域的机理解析，为个性化医疗和精准治疗奠定了坚实基础 （图5）。

图5. CRISPR技术在分子成像、临近标记和单细胞领域应用示意图。

此外，CRISPR技术在农业育种领域的应用也逐渐兴起。研究人员利用CRISPR技术开发了更加精准、高效的作物改良方法，例如提高作物抗旱、抗病虫害的能力，以及改善作物营养成分和品质。这些创新不仅提高了农业生产效率，也为全球粮食安全提供了重要的保障。

在生物安全和环境保护领域，CRISPR同样发挥着重要作用。例如，通过设计特定的CRISPR-Cas系统，可以精准靶向入侵物种或病原微生物的基因，开发出高效且环境友好的生物防治技术。此外，CRISPR技术还能够用于基因驱动系统（gene drive）的开发，实现特定性状在野外种群中的快速传播，有望为控制害虫种群和消灭病媒生物提供新策略。

展望未来，CRISPR系统不仅仅是“基因剪刀”，而正在成为“分子乐高”和“信息处理器”。面向未来，Cas家族的新成员（如CasMINI、CasΦ、PAM-free变体）以及AI辅助设计（如AlphaFold 3、DeepCRISPR、DeepAptamer等），将推动多组学、空间组学和合成生物学等前沿方向深度融合。这种多学科融合的趋势将显著提升CRISPR工具的性能，进一步拓展其应用范围，推动精准诊断与治疗、生物安全检测及细胞工程等领域的发展。

论文作者介绍

童垚俊

副教授

童垚俊，上海交通大学微生物代谢全国重点实验室及生命科学技术学院长聘教轨副教授，入选国家级青年人才计划、上海海外高层次引进人才计划。长期致力于开发新型合成生物学使能赋能技术并应用于微生物代谢工程与合成生物学研究。相关研究成果发表于PNAS、Nature Communications、Nature Protocols等国际高水平学术期刊。担任Synthetic and Systems Biotechnology副主编。课题组长期招收合成生物学、生物工程、人工智能相关背景的博士后。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社

旗下期刊Trends in Genetics

▌论文标题：

Expanding horizons of CRISPR applications beyond genome editing

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168952525001337

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tig.2025.06.003

原标题：《童垚俊/张立新/Sang Yup Lee团队Trends in Genetics丨CRISPR技术新纪元：基因编辑之外的前沿探索》

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