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全新基因編輯技術引發研究領域巨變——生物學新利器是把雙刃劍

來源：集團(tuan)芭乐(le)视频ios下载(zai)安(an)装 發布時間(jian)：2016-06-11 編輯：黑馬

美(mei)國舊金山格萊斯頓研究所遺傳學家Bruce Conklin一直試圖(tu)找到DNA變異如(ru)何影響不(bu)同的人類疾病(bing)，但使用(yong)的工具(ju)有些笨(ben)重。

 

美國舊金山格萊斯頓研究所遺傳學家Bruce Conklin一(yi)直試(shi)圖找到DNA變(bian)異如(ru)何影響不同的(de)人(ren)類疾(ji)(ji)病，但使(shi)用的(de)工具有些(xie)笨重。當他研究來(lai)(lai)自(zi)病人(ren)的(de)細胞時，很難知道哪(na)個序列(lie)對(dui)疾(ji)(ji)病來(lai)(lai)說很重要(yao)，哪(na)些(xie)只是背景噪音(yin)。同時，將突變(bian)植入(ru)細胞是一(yi)項昂貴且費力的(de)工作。

2012年，他通(tong)過閱讀了解到一(yi)項最新發(fa)表的、被稱為CRISPR的技術。它能使研究(jiu)人員(yuan)快速(su)改變幾乎(hu)任何(he)生物(wu)體(ti)的DNA，包括人類。此后(hou)不久，Conklin放棄(qi)了此前為疾病建立模型的方法(fa)，轉而(er)采(cai)用這項新技術。目前，他的實驗室(shi)正在狂(kuang)熱地(di)改變同各種(zhong)心臟疾病相關的基因。“CRISPR正帶來(lai)翻(fan)天覆地(di)的變化。”Conklin說。

這種(zhong)情感被(bei)廣(guang)泛共享：CRISPR正在(zai)生(sheng)物醫學(xue)研究(jiu)領域引起一場(chang)巨變(bian)。不像其他基(ji)(ji)因(yin)編輯(ji)手段，它使(shi)用(yong)起來(lai)廉價、迅(xun)速且(qie)簡單，并因(yin)此(ci)席(xi)卷全(quan)球實驗室。研究(jiu)人員希望利用(yong)它調整人類基(ji)(ji)因(yin)以(yi)(yi)消除疾病，創造(zao)生(sheng)命(ming)(ming)力更加頑強的(de)植物，并且(qie)消滅病原體。“自從事科研以(yi)(yi)來(lai)，我經歷(li)過兩次大的(de)發展。”康奈爾大學(xue)遺(yi)傳學(xue)家John Schimenti表示，像在(zai)1985年(nian)被(bei)發明后使(shi)基(ji)(ji)因(yin)工(gong)程領域發生(sheng)革命(ming)(ming)性變(bian)化(hua)的(de)基(ji)(ji)因(yin)擴增方(fang)(fang)法(fa)——PCR一樣，“CRISPR正通過如此(ci)多的(de)方(fang)(fang)式(shi)影(ying)響生(sheng)命(ming)(ming)科學(xue)”。

不(bu)過(guo)，盡管CRISPR前途(tu)大好，但(dan)一些(xie)科學(xue)(xue)(xue)家(jia)擔心，這個領域極快的(de)發(fa)(fa)展步伐幾(ji)乎沒有(you)為解決類似試驗可能引(yin)發(fa)(fa)的(de)倫理(li)和安(an)全(quan)問題(ti)留(liu)出時間(jian)。當今年4月關于(yu)科學(xue)(xue)(xue)家(jia)利(li)用CRISPR改造(zao)人(ren)類胚胎的(de)新聞曝出時，該問題(ti)被推到了(le)聚光(guang)燈下。雖然他們使用的(de)胚胎無法使嬰兒安(an)全(quan)出生(sheng)(sheng)，但(dan)這項報(bao)道引(yin)發(fa)(fa)了(le)關于(yu)是否以及如何使用CRISPR使人(ren)類基(ji)因組產生(sheng)(sheng)可遺(yi)傳(chuan)的(de)變化的(de)激烈(lie)爭辯。同時，還有(you)其他的(de)顧慮(lv)存在。比如，一些(xie)科學(xue)(xue)(xue)家(jia)擔心，接受過(guo)基(ji)因編輯的(de)生(sheng)(sheng)物體會擾亂整個生(sheng)(sheng)態系統。

引(yin)發研(yan)究革命

長久以來(lai)，生物(wu)學(xue)(xue)家一直在(zai)利(li)用(yong)分(fen)子工具(ju)編(bian)輯基(ji)因(yin)(yin)組(zu)。大(da)(da)約(yue)10年(nian)前(qian)，他(ta)們因(yin)(yin)一種有望精確且高效(xiao)地編(bian)輯基(ji)因(yin)(yin)、被(bei)(bei)稱為(wei)(wei)鋅指(zhi)核(he)酸酶(mei)(mei)的(de)(de)(de)酶(mei)(mei)而興奮不已(yi)。不過，馬薩諸塞州(zhou)布蘭迪斯大(da)(da)學(xue)(xue)分(fen)子生物(wu)學(xue)(xue)家James Haber表示，需要花(hua)(hua)費5000多(duo)美(mei)元(yuan)(yuan)才能訂購到(dao)的(de)(de)(de)鋅指(zhi)并未被(bei)(bei)普遍采用(yong)，因(yin)(yin)為(wei)(wei)它(ta)們很難進行基(ji)因(yin)(yin)改造且花(hua)(hua)費頗高。CRISPR卻大(da)(da)不相同：它(ta)依靠一種利(li)用(yong)引導性(xing)RNA分(fen)子將其(qi)導向(xiang)目標DNA、被(bei)(bei)稱為(wei)(wei)Cas9的(de)(de)(de)酶(mei)(mei)，然(ran)后編(bian)輯DNA以擾亂基(ji)因(yin)(yin)或插入想(xiang)要的(de)(de)(de)序列。通(tong)常，研究人員需要訂購的(de)(de)(de)只是RNA片段，其(qi)他(ta)成分(fen)都是現成的(de)(de)(de)。全部(bu)花(hua)(hua)費只有30美(mei)元(yuan)(yuan)。“這使得該技術走向(xiang)大(da)(da)眾化，因(yin)(yin)此每個人都在(zai)使用(yong)它(ta)。”Haber說，這的(de)(de)(de)確是一場巨大(da)(da)的(de)(de)(de)革命。

CRISPR方法正快(kuai)速超越鋅指核酸酶和其他編輯工(gong)具。對(dui)一(yi)些(xie)研究(jiu)人員(yuan)來說，這(zhe)(zhe)意(yi)味著要放棄曾花費數年來完善的(de)技術(shu)。“我很(hen)郁悶(men)。”英國韋爾科姆(mu)基(ji)金會桑格學院研究(jiu)所遺(yi)傳學家(jia)Bill Skarnes說，“但(dan)又很(hen)興(xing)奮。”Skarnes在自己職業生涯的(de)大部分時(shi)間(jian)都在使用(yong)(yong)上(shang)世紀80年代引(yin)入(ru)的(de)一(yi)項(xiang)技術(shu)：將DNA插入(ru)胚(pei)胎干細(xi)(xi)胞，然(ran)后利用(yong)(yong)這(zhe)(zhe)些(xie)細(xi)(xi)胞產生轉基(ji)因小鼠(shu)。這(zhe)(zhe)項(xiang)技術(shu)變成(cheng)實驗室的(de)主力(li)，但(dan)同時(shi)耗費時(shi)間(jian)且(qie)非常昂貴。CRISPR所需時(shi)間(jian)很(hen)少，因此Skarnes在兩年前采用(yong)(yong)了這(zhe)(zhe)項(xiang)技術(shu)。

研究人員(yuan)傳(chuan)統(tong)上(shang)嚴重依賴諸(zhu)如(ru)小鼠、果蠅等模式生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)。目前(qian)，CRISPR使在更多生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)體(ti)中(zhong)編(bian)輯基(ji)因成為可(ke)能。例如(ru)，今(jin)年4月，馬薩(sa)諸(zhu)塞州(zhou)懷特海德(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)醫學研究所研究人員(yuan)的報(bao)告稱，利用CRISPR研究了白色(se)念(nian)珠菌(jun)(jun)。這是一種在免疫(yi)系統(tong)減弱的人群中(zhong)尤其具有致(zhi)死性但(dan)一直(zhi)很難(nan)在實驗室(shi)中(zhong)進行基(ji)因操控的真菌(jun)(jun)。來自(zi)加州(zhou)大學伯克利分校的CRISPR技術先(xian)驅Jennifer Doudna正在記錄被(bei)CRISPR改(gai)變(bian)的生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)清單。截至目前(qian)，她已擁有近40個條目，包括致(zhi)病寄生(sheng)(sheng)(sheng)蟲——錐體(ti)蟲和被(bei)用來制造生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)燃料的酵(jiao)母(mu)菌(jun)(jun)。

然(ran)而，快速的(de)(de)進步(bu)有(you)著自身的(de)(de)弊端。“人(ren)們根(gen)本沒有(you)時(shi)間描述這個(ge)系統(tong)中一些最基本參數的(de)(de)特(te)征。”加州大(da)學舊金(jin)山分校生(sheng)物物理學家(jia)Bo Huang說(shuo)，“現在有(you)這樣(yang)一種心態，即只(zhi)要(yao)它能發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)，我們就不(bu)需(xu)要(yao)理解它是(shi)如何(he)以及為何(he)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)的(de)(de)。”這意味著研(yan)究人(ren)員偶爾會遇到故(gu)障。Huang和(he)他的(de)(de)實驗室奮(fen)斗了(le)兩個(ge)月，使(shi)CRISPR適用(yong)于(yu)成像研(yan)究。他懷疑，如果(guo)對如何(he)使(shi)引(yin)導性RNA的(de)(de)設計最優化了(le)解得更多，耽擱(ge)的(de)(de)時(shi)間會更少。

獲(huo)得廣泛(fan)應用

去年(nian)，麻省(sheng)理(li)工(gong)學院生物(wu)工(gong)程(cheng)學家(jia)Daniel Anderson和他(ta)的(de)同事(shi)在小(xiao)鼠身上利用(yong)CRISPR修(xiu)正了一(yi)個同人(ren)類(lei)代謝性疾病相關的(de)突變(bian)tyrosinaemia。這(zhe)是首次利用(yong)CRISPR在成年(nian)動物(wu)體內(nei)修(xiu)正致病突變(bian)，并(bing)且(qie)是將該項技術用(yong)于人(ren)類(lei)基因療法的(de)一(yi)個重大進步(bu)。

在科學和(he)生物技(ji)術圈，CRISPR能(neng)加(jia)快基因治(zhi)療領(ling)域發展(zhan)的想法是一個主要的興奮點。不(bu)過，在凸顯潛力的同時，Anderson的研究還展(zhan)現了真正(zheng)應用這項技(ji)術還有(you)多(duo)遠的路要走。為(wei)(wei)將Cas9酶和(he)其(qi)引導(dao)性(xing)RNA送(song)入目(mu)標器官——肝臟，該研究團隊不(bu)得不(bu)用泵將通常被認為(wei)(wei)在人體內不(bu)宜存在的大量流體送(song)入血管(guan)。試驗(yan)僅在0.4%的細胞(bao)中修正(zheng)了致病突變(bian)，而這并不(bu)足以對(dui)很多(duo)疾病產生影響。

過去(qu)兩(liang)年里，一些公(gong)司如雨后春(chun)筍般出現(xian)，開發基(ji)于(yu)CRISPR的(de)基(ji)因療法。Anderson和(he)其他人(ren)表示，此類(lei)療法的(de)首次臨床試驗(yan)(yan)會(hui)在接(jie)下(xia)來的(de)一到兩(liang)年內(nei)進行(xing)。這些首批試驗(yan)(yan)或(huo)許將勾勒(le)出CRISPR的(de)應用場景(jing)，即CRISPR成(cheng)分能被(bei)直接(jie)注入(ru)眼睛等器官，或(huo)者細胞能從人(ren)體(ti)移除并在實驗(yan)(yan)室(shi)中進行(xing)基(ji)因改造(zao)后被(bei)放回(hui)體(ti)內(nei)。例如，形成(cheng)血(xue)液的(de)干(gan)細胞可能被(bei)修(xiu)正用于(yu)治療諸如鐮(lian)狀(zhuang)細胞性(xing)貧血(xue)癥或(huo)β-地中海貧血(xue)等疾病。雖(sui)然將酶和(he)引導性(xing)RNA送入(ru)很多其他組織將是一項更大(da)的(de)挑戰，但研究人(ren)員(yuan)希望有一天這項技術能被(bei)用于(yu)解決更廣范的(de)遺傳疾病。

在Anderson和其(qi)他人正(zheng)(zheng)(zheng)在瞄準(zhun)修(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)人類細(xi)胞內的DNA時，一些人將(jiang)目光(guang)投(tou)向了農作物和牲畜。在基(ji)因(yin)編輯技術出現前，這(zhe)往往是通過將(jiang)基(ji)因(yin)插入(ru)基(ji)因(yin)組中隨意位置實現的，連同基(ji)因(yin)一起的還有(you)來自細(xi)菌(jun)、病毒或其(qi)他物種驅動基(ji)因(yin)表達(da)的序列。不過，這(zhe)個過程(cheng)效率(lv)很低，并且(qie)總是成為討厭來自不同物種的DNA混合(he)在一起或擔(dan)心這(zhe)種插入(ru)會擾亂其(qi)他基(ji)因(yin)的批評人士(shi)的素(su)材。更重要的是，獲(huo)得轉基(ji)因(yin)作物使用批準(zhun)非常復雜(za)且(qie)花費(fei)頗(po)高，以至(zhi)于接受基(ji)因(yin)修(xiu)正(zheng)(zheng)(zheng)的都是大型大宗商品(pin)作物，比如玉(yu)米和大豆。

有(you)了(le)CRISPR，形勢將發生改(gai)變(bian)：快捷(jie)和(he)低(di)成(cheng)本或許(xu)會使基(ji)因編輯(ji)成(cheng)為較小(xiao)型特殊(shu)作(zuo)物和(he)動物的(de)一個(ge)可行(xing)選擇。過(guo)去幾年間，研究人(ren)員利用(yong)該方(fang)法對小(xiao)型豬進(jin)行(xing)了(le)基(ji)因改(gai)造，并且獲得了(le)抗病小(xiao)麥和(he)水稻(dao)。他們還在(zai)通過(guo)基(ji)因改(gai)造獲得沒有(you)角的(de)牛、抵抗疾病的(de)山羊和(he)富含(han)維生素的(de)甜橙(cheng)等(deng)方(fang)面取得進(jin)步(bu)。

生態系(xi)統(tong)或被(bei)改(gai)變

除了農業，研(yan)究人員正在(zai)考慮CRISPR如何能被(bei)或(huo)者說(shuo)應當(dang)被(bei)用(yong)于(yu)野外的生物(wu)(wu)體(ti)。大部分注意力集中(zhong)在(zai)一種被(bei)稱為基(ji)因(yin)驅(qu)動的方(fang)法上(shang)，因(yin)為它能迅速將被(bei)編輯基(ji)因(yin)在(zai)整(zheng)個種群中(zhong)傳播。這項工作正處于(yu)起步階段(duan)，但類似技術能被(bei)用(yong)于(yu)消滅攜帶疾病的蚊(wen)子或(huo)蜱蟲，清(qing)除入侵(qin)植物(wu)(wu)或(huo)消除使一些美國農民飽受(shou)折磨的豬草中(zhong)的除草劑抗性。

不(bu)過，很(hen)多研究(jiu)人員非常擔(dan)心，改變(bian)整個種群(qun)或(huo)將其全部清除會對(dui)生(sheng)態系統產生(sheng)無法預知的(de)災(zai)難性后果：這可能意味著(zhu)其他(ta)害蟲會出現，或(huo)者影響食物鏈上處(chu)于較高位置的(de)捕食者。他(ta)們還擔(dan)心，引(yin)導性RNA會隨著(zhu)時間的(de)推移發(fa)生(sheng)突變(bian)。隨后，這種突變(bian)將席卷整個種群(qun)，產生(sheng)始料(liao)未及的(de)影響。

“這種方法(fa)不得不擁有相(xiang)當高(gao)的(de)回(hui)報，因(yin)為它具有不可逆轉的(de)危(wei)險和(he)給(gei)其他物(wu)種帶(dai)來的(de)意(yi)料之外(wai)或很難預估的(de)后(hou)果。”哈佛醫學院生物(wu)工程師George Church表示(shi)。2014年4月，Church和(he)一組科學家及(ji)政策專家在《科學》雜志(zhi)上(shang)撰(zhuan)寫了(le)一篇評論文章(zhang)，警告研究人員試驗(yan)性基因(yin)驅(qu)動意(yi)外(wai)泄漏帶(dai)來的(de)風險，并且提出了(le)防止此事(shi)發生的(de)方法(fa)。

當(dang)時，基因(yin)驅動看上去(qu)還(huan)是一個遙遠(yuan)的(de)前(qian)景。然而，不到一年(nian)后，加州大學圣地亞(ya)哥分校發育(yu)生物學家Ethan Bier和(he)他(ta)的(de)學生Valentino Gantz報告(gao)稱，他(ta)們在(zai)果蠅(ying)(ying)中設計出類似(si)系(xi)統(tong)。Bier和(he)Gantz利用3層的(de)箱(xiang)子(zi)容納果蠅(ying)(ying)，并(bing)且(qie)采用了通常用于研(yan)究(jiu)攜(xie)帶瘧疾的(de)蚊(wen)子(zi)的(de)實驗(yan)室(shi)安(an)全舉(ju)措(cuo)。不過，他(ta)們并(bing)未遵循上述評論(lun)文章作者極力(li)推薦的(de)所有(you)指導(dao)原則，比如設計逆轉基因(yin)改造所致變化的(de)方法。Bier說(shuo)，他(ta)們正(zheng)在(zai)開展首(shou)個原理性試驗(yan)，并(bing)且(qie)想(xiang)知道該系(xi)統(tong)能否在(zai)變得(de)更加復(fu)雜之前(qian)行之有(you)效(xiao)。

對于Church和(he)其(qi)他人來說(shuo)，這是一(yi)個明確的(de)警告(gao)，即通過CRISPR開(kai)展(zhan)的(de)基(ji)因編輯的(de)大眾化會產生(sheng)無法預料和(he)不想看到的(de)結(jie)果。麻省理工學(xue)(xue)院(yuan)政治學(xue)(xue)家Kenneth Oye說(shuo)：“我(wo)們需要(yao)更多的(de)行(xing)動。”美國國家研究委員會已經形成(cheng)專家組(zu)探討基(ji)因驅(qu)動，其(qi)他高(gao)級別(bie)商(shang)討也正(zheng)在(zai)開(kai)始進行(xing)。不過，Oye擔心，科學(xue)(xue)正(zheng)在(zai)以(yi)閃(shan)電般(ban)的(de)速度向前發(fa)展(zhan)，而監(jian)管(guan)上的(de)改變可(ke)能只在(zai)基(ji)因驅(qu)動泄漏事件(jian)受(shou)到關注(zhu)后才會發(fa)生(sheng)。

然而，該問(wen)題并不(bu)(bu)是非黑即白。得(de)州(zhou)農工大學昆蟲生態學家Micky Eubanks表示，基因驅動(dong)的(de)(de)(de)提法最初讓他大吃一(yi)驚。“我最初本(ben)能的(de)(de)(de)反應是‘我的(de)(de)(de)天(tian)，這太恐(kong)怖(bu)了。它是如此的(de)(de)(de)令人(ren)恐(kong)懼(ju)’。”Eubanks說，但當你(ni)再考(kao)慮一(yi)下(xia)，并將(jiang)其同(tong)人(ren)類已經造成并且將(jiang)繼續造成的(de)(de)(de)環境改(gai)變作下(xia)權衡，會發現它只(zhi)不(bu)(bu)過是滄海(hai)一(yi)粟(su)。