2011年春天，加州大學(xué)伯克利分校的Jennifer Doudna前往波多黎各參加當(dāng)年的美國(guó)微生物學(xué)會(huì)年會(huì)。會(huì)議第二天下午她與好友John van der Oost 一起去一家咖啡廳喝咖啡，而正是在那里她遇見(jiàn)了一位穿著時(shí)尚的女科學(xué)家Emmanuelle Charpentier。詹妮弗大概怎么也不會(huì)想到，正是這一次相逢，改變了她的整個(gè)職業(yè)生涯。
詹妮弗第一次聽(tīng)到CRISPR這個(gè)詞是2006年的時(shí)候。在與Jill Banfield教授的一次商議學(xué)術(shù)合作的通話中，Jennifer 聽(tīng)到一個(gè)發(fā)音類(lèi)似Crisper的東西，Jill并沒(méi)有解釋這個(gè)詞的含義，甚至連這個(gè)單詞怎么拼寫(xiě)都沒(méi)提，她只是說(shuō)想尋求該方面研究合作。
Jill說(shuō)CRISPR與RNAi之間可能存在著某種共性，而Jennifer課題組當(dāng)時(shí)主要的研究領(lǐng)域正是RNAi。Jennifer也非常爽快的答應(yīng)她下周在學(xué)校圖書(shū)館旁邊的咖啡廳見(jiàn)面商議合作的事宜。
當(dāng)天Jennifer來(lái)到那家咖啡廳的時(shí)候Jill早已在那里等候。她面前放著一個(gè)筆記本和幾篇論文。簡(jiǎn)單的閑聊后她便開(kāi)始在筆記本上畫(huà)起了草圖。
CRISPR序列. Source: Jennifer Doudna
這串由菱形和正方形構(gòu)成的區(qū)域便是CRISPR了。每一個(gè)菱形所代表的區(qū)域有著相同的堿基序列，而正方形區(qū)域的序列卻各不相同。Jennifer立即明白了CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，常間回文重復(fù)序列叢集）的含義。
當(dāng)Jennifer問(wèn)Jill該序列的功能時(shí)Jill回答：不是很清楚。她同時(shí)也說(shuō)道大概有一半的細(xì)菌以及幾乎所有的古細(xì)菌基因組中都會(huì)存在該序列。很顯然如果該序列如此廣泛，它對(duì)細(xì)菌和古菌正常功能的維持也一定扮演著非常重要的角色。
接下來(lái)Jill拿出那幾篇論文，興奮地為Jennifer總結(jié)這幾篇論文所完成的工作。2005年三個(gè)獨(dú)立課題組均發(fā)現(xiàn)CRISPR重復(fù)序列間的間隔序列與某些噬菌體的DNA片段完全匹配，而且CRISPR中與噬菌體DNA片段匹配的數(shù)量越多，細(xì)菌受噬菌體感染的風(fēng)險(xiǎn)也就越低。
很明顯CRISPR可能是細(xì)菌和古細(xì)菌的免疫系統(tǒng)的重要組分，用以防御噬菌體的侵入。最后，Jill給Jennifer看了Kira Makarova 和 Eugene Koonin等人發(fā)表的最新的一篇文章，該文章也提出了CRISPR的適應(yīng)性免疫功能的假設(shè)。
很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，Jennifer一直從事RNAi功能的研究，而現(xiàn)在看來(lái)CRISPR有著與RNAi相似的功能。對(duì)于Jennifer來(lái)說(shuō)，CRISPR這一研究課題的誘惑力實(shí)在是太大了。并且她認(rèn)為當(dāng)時(shí)的時(shí)點(diǎn)對(duì)于她來(lái)說(shuō)也非常有利：雖然已經(jīng)有人提出了關(guān)于CRISPR功能的理論，但并沒(méi)有人能夠完全驗(yàn)證并且解析完整的作用機(jī)制，而她作為資深的分子生物學(xué)家做這方面的工作自然是得心應(yīng)手。
但Jennifer一時(shí)卻難以找到合適的人來(lái)做這方面的研究。Blake Wiedenheft的適時(shí)出現(xiàn)解決了她的難題。當(dāng)時(shí)Blake正申請(qǐng)前往Jennifer課題組做博士后研究工作。當(dāng)Jennifer問(wèn)及他感興趣的研究方向時(shí)，Blacke回了一句：你聽(tīng)說(shuō)過(guò)CRISPR么？大概沒(méi)有比Blake更合適的人選了吧。
于是Jennifer組的CRISPR項(xiàng)目就這樣開(kāi)始了。在Blake剛加入新實(shí)驗(yàn)室不久時(shí)，丹麥的生物公司Danisco就已經(jīng)驗(yàn)證了CRISPR的功能正是細(xì)菌的特異性免疫。隨即Stan Brouns等人報(bào)到了RNA在CRISPR系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用：CRISPR會(huì)先整體轉(zhuǎn)錄為RNA，再由酶剪切為具有單個(gè)重復(fù)序列/間隔序列的小片段，再與病毒DNA結(jié)合。而西北大學(xué)的Erik Sontheimer也發(fā)現(xiàn)了CRISPR RNA能夠通過(guò)DNA-RNA配對(duì)來(lái)誘導(dǎo)DNA降解。
Blake和Jennifer在為這些新發(fā)現(xiàn)感到興奮的同時(shí)，也認(rèn)識(shí)到仍有太多的基礎(chǔ)問(wèn)題尚未解決。首先他們需要解析病毒DNA整合進(jìn)入CRISPR序列以及CRISPR轉(zhuǎn)錄及RNA片段剪切的過(guò)程，其次他們也需要解析CRISPR RNA誘導(dǎo)病毒DNA降解的過(guò)程。于是他們將目光擴(kuò)大到了CRISPR相關(guān)基因cas。
Cas基因 來(lái)源：Jennifer Doudna
cas基因的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解CRISPR功能具有重要貢獻(xiàn)。2002年Jansen首次在公開(kāi)發(fā)表的文章中使用CRISPR這一名詞，通過(guò)生物信息學(xué)計(jì)算分析了CRISPR序列的特征并鑒定了4個(gè)CRISPR相關(guān)基因(CRISPR associated system, cas) cas1-4。
cas基因全都與CRISPR基因位點(diǎn)相鄰，提示兩者可能存在功能上的相關(guān)性。而且Cas蛋白同時(shí)具有螺旋酶和核酸酶結(jié)構(gòu)域，表明他們可能參與DNA代謝以及基因調(diào)控過(guò)程。
為了研究Cas蛋白的功能，Blake首先通過(guò)基因工程技術(shù)獲得了大量Cas1蛋白。在得到Cas1蛋白之后他通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)揭示了該蛋白的功能，發(fā)現(xiàn)Cas1蛋白能夠剪切DNA片段以使病毒DNA序列能夠嵌入到CRISPR序列中。
此時(shí)，Rachel Haurwitz也加入了該項(xiàng)研究，并參與了Cas 6的研究，確定了Cas 6的功能為剪切已轉(zhuǎn)錄的長(zhǎng)鏈CRISPR RNA。之后他們解析了越來(lái)越多的Cas蛋白功能，但這些蛋白與Cas1或Cas6的蛋白功能都非常相似。
到了2011年，組內(nèi)的多位老成員也加入了CRISPR戰(zhàn)隊(duì)。此時(shí)Blake和Jennifer的興趣已經(jīng)逐漸由剪切CRISPR DNA/RNA的Cas蛋白轉(zhuǎn)向了剪切病毒DNA序列的Cas蛋白。他們與John組的合作研究卻發(fā)現(xiàn)剪切病毒DNA的過(guò)程極其復(fù)雜，需要多個(gè)Cas蛋白來(lái)靶向和剪切病毒DNA：首先CRISPR RNA會(huì)與大約10個(gè)Cas蛋白形成能夠靶向需要剪切的病毒DNA序列的復(fù)合體，緊接著Cas3會(huì)剪切目標(biāo)DNA序列。
之后Jennifer又與其他組合作解析出了識(shí)別剪切序列復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，并確定了堿基配對(duì)在識(shí)別過(guò)程中的重要作用。而立陶宛的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室也確定了Cas3蛋白的剪切方式：Cas3并不是一次剪切完成，而是將其剪切為數(shù)百個(gè)DNA片段。
隨著研究的深入，科研人員也逐漸認(rèn)識(shí)到CRISPR系統(tǒng)的極高的多樣性。一般而言CRISPR系統(tǒng)被分為兩大類(lèi)，六個(gè)組，19個(gè)亞組。而2011年之前Jennifer組的研究只集中于第一類(lèi)，對(duì)于第二類(lèi)CRISPR如何剪切DNA的，她卻知之甚少。此時(shí)的她進(jìn)入了研究的瓶頸期。
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