基因编辑，守望人类

敲除、加入……这些名词听起来像是一个文字编辑的日常工作。

事实上,生物化学实验室里的研究员们也可能经常进行敲除、加入的操作。实施对象则是生物体细胞中的DNA,这种技术被称为基因编辑。

2012年,新一代基因编辑技术 CRISPR-Cas9 发表后,这种易懂易操作的技术迅速在全球各大生物实验室中得到普及,并贡献了大量运用CRISPR-Cas9技术的研究论文。

这为人类战胜遗传性眼病、血液病、艾滋病、癌症等目前医学无能为力的疾病,提供了一种技术上的支持。理论上,通过基因编辑甚至能改变眼睛的颜色、智力水平并遗传给后代。而另一些观点认为如果不及时设立研究的“红线”,或将引起伦理灾难。

近期,一场由全球主要基因编辑工作者发起人类基因编辑国际峰会在华盛顿举行,探讨了与基因编辑技术有关的各项热门议题。峰会声明并未严厉禁止对于早期人类胚胎或生殖细胞的基因编辑行为,研究人员仍可进行基础的研究。这意味着目前的重点仍将是基因编辑技术本身发展和潜在应用。

基因编辑 为重症患者打开希望之门

当一颗受精卵开始分裂发育,细胞中DNA携带的遗传因子决定了胚胎将具有亲代的各种特征。如果亲代携带某些严重疾病的遗传基因的话,那么子代不幸的命运或许在未出生前已经注定。除却遗传因素,DNA无数次复制过程中出现意外(基因突变),也将令生命个体备受挣扎。目前的医学水平,却对上述的困境无能为力。而在可期的将来,一切将有所改变。

12月初,由美国国家科学院、美国国家医学院、中国科学院和英国皇家学会共同举办人类基因编辑国际峰会上透露,通过基因编辑技术有望治疗B型血友病。

资料显示,B型血友病是由指示肝脏产生凝血因子IX的基因发生突变引起的,是一种遗传性疾病。患者会因凝血功能紊乱而自发性内出血,并可能因难以止血而面临生命危险。患者往往如玻璃人般整日过着胆战心惊的生活。

此次在峰会上透露的临床试验消息显示,美国科学家使用ZFN(锌指核酸酶)基因编辑工具,在基因组中插入一种正确版本的突变基因,并递送到了缺乏因子IX基因的小鼠和灵长类动物的肝脏中。科学家们宣布实验动物的凝血功能恢复了正常。很快将在成人血友病B患者身上开展试验。未来还将把这项技术转移到儿科领域。

就在一个月前,英国方面才刚宣布通过基因编辑技术治好了一名1岁大的白血病患儿。该名患儿被确诊患有急性淋巴细胞白血病,常规的化疗以及骨髓移植治疗方式对其已无法奏效。在其父母的支持下,医院采用德国生物技术公司Cellectis开创的细胞方法治疗这名患儿。科学家们利用了名为TALENs(类转录激活因子效应物核酸酶)的基因编辑工具对来自美国的捐赠者的血液进行了3次编辑。关闭了两个基因,并添加了抗白血病基因,最终将1ml含有5000个编辑过的细胞注入患儿体内,令患儿身体恢复并能够接受骨髓移植术。术后患儿接受检查发现癌细胞已经完全消除。这项大胆的试验此前仅在小白鼠身上试验过。

多伦多病童医院的研究人员则宣布利用另一种基因编辑工具,令杜氏肌营养不良患者的细胞中恢复了蛋白功能。

由此可见,基因编辑技术给重症患者带来了重生的希望。利用基因编辑技术矫正致病突变,治疗人类疾病有着广阔的前景。

化繁为简 CRISPR-Cas9开创新纪元

事实上,删除、加入或改变一个基因组中的DNA,科学家们在很多年前就能做到,但可能需要一年或更长的时间来进行复杂的基因组修饰,而使用的动物几乎只有小白鼠。近年来陆陆续发现一系列基于核酸酶的可编程基因组编辑技术,令研究人员能在任何物种中实现精确的基因修饰,并有着核苷酸水平的精确度。

ZEN和TALENs工具便属于其中的两种,本质上均是利用非同源末端链接途径(NHEJ)修复和同源重组(HR)修复,联合特异性DNA的靶向识别及核酸内切酶完成的DNA序列改变,为人工核酸酶技术。ZFN 的基因打靶效率能够达30%左右,但ZFN的脱靶切割会导致细胞毒性,令其在基因治疗领域具有局限性。TALENs工具在某种程度上完成了ZFN的大部分工作,但构建更简单,效果也更好。在商用领域,TALENs的试剂盒售价也更为便宜。

到了2012年,新一代基因编辑工具CRISPR-Cas9闪亮登场,它的本质功能和ZFN 、TALENs相同。不同的是,CRISPR-Cas9是一个天然存在的原核生物 RNA干扰系统。CRISPR-Cas9 其实是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。

早在1987年,日本学者发现,在大肠杆菌的基因末端有一段间隔重复的DNA序列。2007年左右,通过对不同细菌的研究,CRISPR作用机理才逐步清晰。在细菌及古细菌中,CRISPR系统共分成三类,其中Ⅰ类和Ⅲ类需要多种CRISPR相关蛋白(Cas蛋白)共同发挥作用,而Ⅱ类系统只需要一种Cas蛋白即可,这为其能够广泛应用提供了便利条件。

2012年8月,美国加州伯克利分校Jennifer Doudna和马克普朗克感染生物研究所Emmanuelle Charpentier在《science》上发表论文介绍如何使用CRISPR-Cas9系统工作,并通过更换向导RNA序列来实现基因编辑。这种技术被业内形象地比喻为剪刀分子技术,意味着用分子剪刀剪除几段基因组,然后再进行回填和修补,就掌握了技术的精髓。对于稍微通晓生物医学知识的研究人员而言,只要订购一段向导RNA,利用通用的实验室材料,就能快速建立需要的模型。成本仅为ZFN的几十分之一。

此后3年,利用CRISPR-Cas9工具在不同领域应用研究论文迅速增加,据统计达到650篇之多,由此也可以看出CRISPR-Cas9的易懂易操作性。

安全性不断增强 伦理问题存争议

虽然CRISPR-Cas9被业界热捧,甚至成为诺贝尔化学奖的有力竞争者,需要注意的是任何一项全新的科学技术都要经历安全性的论证。CRISPR-Cas9之母Jennifer Doudna在2014年参加了一场学术会议得知,一位使用CRISPR-Cas9工具的科研者很容易地构建出了人肺癌小鼠动物模型。这反而令她担忧,如果出现一点问题,那患上肺癌的不是小鼠而是人类。

麻省理工学院的生物工程师Daniel Anderso认为CRISPR药物很快将进入临床试验阶段。更多科学家认为需要开展更多的工作,保证CRISPR技术的安全和功效。因为用于基因编辑的酶在非目标区域发生作用,或加快细胞增殖,形成肿瘤。

“许多安全问题都与脱靶效应相关。”从事CRISPR工具研究的另一位知名科学家张锋指出。近日,他和团队则在《science》发表论文称,麻省理工学院和哈佛大学Broad研究院、麻省理工学院麦戈文人脑研究所的研究人员设计改造了革命性的CRISPR-Cas9基因组编辑系统,从而显著减少“脱靶”编辑错误。具体而言就是化脓性链球菌Cas9酶由约1400个氨基酸组成。在他们研究的具体案例中,改变其中三个氨基酸可显著地将 “脱靶编辑”减少到不可检测的水平。研究小组将这种新近改造的酶称为“增强型”化脓性链球菌Cas9,该实验室很快会将这种增强型酶提供给世界各地的研究人员。

除了安全问题,更令人担忧的是快速高效的基因编辑带来的伦理问题。理论上,通过基因编辑人类未来不仅可以治愈包括癌症、地中海贫血、艾滋病在内的绝症。还可以运用基因编辑来改造自己的基因并遗传给下一代。有观点认为最终富人和穷人可能变成不同物种,人类社会也将面临巨大的挑战。对于生态环境而言,人类完全可以通过基因编辑来改变杂草、害虫的基因,使其基因带有某种突变,或令种群灭绝。虽然可能会消灭疟疾等传染疾病,但会否因此造成其他生态问题就不得而知了。

在此次人类基因编辑峰会召开前,便已经出现了具有争议的案例。据《自然》4月的报道,在中山大学副教授、基因功能研究员黄军就的带领下,科研人员利用CRISPR-Cas9技术,试图修改人类胚胎中可能导致β型地中海贫血的基因。根据进一步的消息,科研人员选用的人类胚胎是卵子和双精子受精所生成,完全不可能发育为正常婴儿。尽管如此还是在业界引起了巨大的风波。反对者认为这已经触及了伦理底线,应该停止类似的研究。但也不乏支持者,有的科学家认为这种情况下受精卵不一定能定义为生殖细胞。另有科学家认为仅仅作为研究,利用CRISPR-Cas9技术编辑人类胚胎和生殖细胞是可行的。更开放的观点认为,可以对胚胎进行基因编辑,从而使具有基因疾病的婴儿出生后有更好的生活质量。

人类基因编辑峰会发表的一份声明,对于研究所涉及的伦理底线也亮明了态度。这份声明称,强化基因编辑技术的基础和临床前期研究“显然是必要的”,应在适当的法律和道德监管监督下继续开展。但如果在研究中对早期人类胚胎或生殖细胞进行了基因编辑,那么被修改的细胞不得用于怀孕目的。对于不会遗传给后代的体细胞研究,大多数科学家显然持支持态度。对于在生殖细胞能否使用基因编辑技术,部分科学家认为也不需要永远摒弃这一想法。

尽管面临伦理天花板的争议,但学界普遍认为基因编辑技术未来在医疗健康、生物育种方面仍大有可为。