地球上所有的生命形式使用几乎完全相同的一套遗传密码，这套密码就贮存在它们的基因组DNA分子中。自20世纪中叶DNA结构解析、遗传密码破译和遗传信息传递的中心法则发现以来，如何对基因组中的遗传信息进行操控，尤其是如何实现高等生物精准的基因组编辑，成为科学家探索生命奥秘时亟待解决的瓶颈问题。2012年，法国微生物学家Emmanuelle Charpentier和美国生物化学家Jennifer A. Doudna基于对CRISPR-Cas9靶向切割DNA分子机制的精细解析，联袂创建了史上最方便快捷且精准高效的CRISPR-Cas9基因组编辑技术^[1]，深刻改变了生命科学的研究范式，于2020年荣获“诺贝尔化学奖”。

CRISPR-Cas系统广泛存在于原核微生物中，是细菌和古菌抵抗入侵病毒(或质粒)的获得性可遗传的核酸免疫系统。CRISPR结构由高度保守的重复序列和各不相同的间隔序列组成。其间隔序列来源于曾经入侵过的病毒(或质粒)，是对这类外源遗传因子的信息贮存。CRISPR结构经转录加工后可生成crRNA。当病毒(或质粒)再次入侵时，带有其序列信息的crRNA可以引导Cas效应蛋白(如Cas9)或Cas效应蛋白复合物(如Cascade)识别该病毒(或质粒)进而将其清除^[2]。CRISPR-Cas9基因组编辑技术正是巧妙地利用了可编程的crRNA介导Cas9核酸酶靶向特定的DNA序列，从而实现对目标DNA的精准编辑。这是继微生物抗病毒的限制性核酸内切酶及其在分子遗传学领域的应用获得1978年“诺贝尔奖”之后，同样基于微生物抗病毒机制创新发展的颠覆性基因组编辑技术再次荣获“诺贝尔奖”，显示丰富多彩的微生物资源依然是生命科学技术创新的源泉。

从1987年CRISPR序列结构的偶然发现到2012年CRISPR-Cas9基因组编辑技术取得关键突破用了25年时间，这是微生物学与其他学科交叉促进的经典范例。CRISPR前20余年的研究主要由微生物学家出于对生命现象的好奇心在推动。CRISPR序列是1987年由日本学者Ishino Y等在研究大肠杆菌碱性磷酸酶同工酶转换基因时首先发现的^[3]。由于当时基因组信息很少，这种序列结构与功能的普遍性还完全没有线索。直到1993年，西班牙科学家Mojica FJ等在一株名为地中海富盐菌的嗜盐古菌中再次发现了类似的CRISPR序列，之后又在细菌和古菌中发现了更多的类群，暗示了CRISPR-Cas系统的多样性和在原核生物中的普遍性^[4-5]。Mojica FJ是早期坚持探索CRISPR奥秘的主要科学家。随着基因组数据的持续增加，他终于通过BLAST序列比对发现CRISPR间隔序列主要来源于外源病毒和质粒，并于2005年首次预测CRISPR-Cas的生物学功能可能是通过贮存外源病毒(或质粒)的序列信息而抵御这类外源遗传因子的再次入侵^[6]，这一论断同年得到了另外两个研究团队独立数据的支持。科学家的兴趣驱动和基于生物信息数据库的创新性运用首次揭开了CRISPR神秘的面纱。

上述理论预测促进了实验探索的突破，在CRISPR序列结构首次报道20年之后的2007年，法国Horvath P团队实验证实酸奶生产菌嗜热链球菌从病毒(噬菌体)获取新的间隔序列贮存到CRISPR结构中后，获得了对该病毒的抗性，新的间隔序列和Cas9蛋白(当时还命名为Cas5)对于抵抗相应病毒入侵都是不可或缺的，首次证明了CRISPR的抗病毒功能^[7]；紧接着的2008年，荷兰瓦格宁根大学van der Oost研究团队对大肠杆菌I-E型CRISPR-Cas系统的工作机制进行了精细解析，并提出了I型CRISPR系统抗病毒复合物Cascade的概念^[8]。我们团队从2009年开始从事嗜盐古菌I-B型CRISPR分子机制的研究，并于2013年首次揭示地中海富盐菌CRISPR功能机制时，距离Mojica FJ在该菌中发现首个古菌CRISPR也正好20年^[9]。

本届“诺贝尔化学奖”得主Charpentier E和Doudna JA则是II型CRISPR-Cas9系统机制深入研究和技术创新的关键学者。2011年，已到瑞典工作的法国微生物学家Charpentier E报道了其团队在研究酿脓链球菌CRISPR-Cas9工作机制时不同寻常的发现。该菌CRISPR-Cas基因簇上游与CRISPR相反的方向转录产生了一组奇特的非编码RNA，即tracrRNA，她敏锐地意识到tracrRNA可能参与了CRISPR-Cas9系统功能，并最终发现tracrRNA不仅帮助crRNA成熟，而且是CRISPR-Cas9系统抵抗外源遗传因子所必需^[10]。为了进一步理解tracrRNA在Cas9核酸酶活性中的作用，Charpentier E和美国生物化学家Doudna JA在结构生物学与生物化学机制方面进行了深入合作，发现Cas9-crRNA-tracrRNA三个组分是Cas9体外核酸酶活性所必需，并共同解析了其复合物结构^[1]。特别需要指出的是，Doudna JA和Charpentier E团队基于结构生物学信息还对该三组分系统进行了简化，创新性地将tracrRNA与crRNA联合成一条单链向导RNA (single guide RNA，sgRNA)，从而只需sgRNA和Cas9蛋白两个组分即可靶向切割特定的DNA序列，催生了2012年颠覆性CRISPR-Cas9基因组编辑技术的横空出世^[1]。值得一提的是，同一年立陶宛科学家Siksnys V实验室也独立发现了crRNA介导的Cas9靶向酶切DNA活性，不过他们没有注意到tracrRNA在此过程中发挥的重要作用^[11]。CRISPR-Cas9基因组编辑技术因其简单高效，很快被Zhang F、Church GM、高彩霞等全球众多研究团队开发应用于各种动植物的基因组编辑，显示了巨大的应用潜力^[12-14]。2015年CRISPR-Cas基因组编辑技术被美国Science杂志评为十大科学突破之首，并在随后几年内，相继衍生出单碱基编辑、引导基因组编辑等升级版^[15-16]，形成了基于CRISPR-Cas基因组编辑底层技术的创新体系。

当前，CRISPR-Cas9技术正被广泛应用于推动基础科学和生物技术的发展，包括发展面向未来的基因治疗技术等^[17]。进一步推动现有CRISPR基因组编辑技术的优化升级，保持其高效性并降低其脱靶率，同时加强对微生物资源和基因组大数据的深入挖掘，开发全新的基因组写书工具，提升我国在基因组编辑领域的源头创新能力和国际竞争力，是未来需要大力发展的研究领域和研究方向。