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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(lai)源：集團(tuan)芭乐(le)视频ios下载(zai)安装 發(fa)布時間：2016-06-11 編輯：黑馬

美國舊金山格萊斯頓(dun)研究所(suo)遺(yi)傳學(xue)家(jia)Bruce Conklin一直試圖找到DNA變異如何影(ying)響不同的人類疾(ji)病(bing)，但使用的工具有些笨重。

 

美國舊金山格萊斯頓研(yan)究(jiu)所遺傳學家Bruce Conklin一(yi)直試(shi)圖找到DNA變異如何影響不同(tong)的(de)人類疾(ji)病(bing)，但使用的(de)工具有些笨重(zhong)。當他研(yan)究(jiu)來自病(bing)人的(de)細胞時(shi)，很難知道(dao)哪個(ge)序列對疾(ji)病(bing)來說很重(zhong)要(yao)，哪些只是(shi)背(bei)景噪音(yin)。同(tong)時(shi)，將突(tu)變植入(ru)細胞是(shi)一(yi)項(xiang)昂貴且(qie)費力的(de)工作。

2012年，他通過閱讀了解(jie)到一項最新發表的(de)(de)、被(bei)稱為CRISPR的(de)(de)技術(shu)。它(ta)能使(shi)研究人(ren)(ren)員快速改變幾乎任何生物體的(de)(de)DNA，包(bao)括人(ren)(ren)類。此后不久，Conklin放棄了此前為疾病建立模(mo)型的(de)(de)方法，轉而采用(yong)這項新技術(shu)。目前，他的(de)(de)實(shi)驗室正在狂熱地改變同各種心(xin)臟疾病相(xiang)關的(de)(de)基因。“CRISPR正帶來翻天(tian)覆地的(de)(de)變化。”Conklin說。

這種情(qing)感被廣泛共(gong)享：CRISPR正(zheng)(zheng)在生物(wu)醫學研(yan)究(jiu)領域(yu)引起一(yi)場巨變。不像其他基因(yin)編輯手段，它(ta)使用起來廉(lian)價(jia)、迅速且簡單，并因(yin)此席卷全球實驗室。研(yan)究(jiu)人員希(xi)望利(li)用它(ta)調整(zheng)人類基因(yin)以(yi)消除疾病，創(chuang)造生命力更加(jia)頑(wan)強的(de)(de)植物(wu)，并且消滅病原體。“自從事科研(yan)以(yi)來，我經歷過兩次大(da)的(de)(de)發展。”康(kang)奈爾大(da)學遺(yi)傳學家John Schimenti表示，像在1985年被發明后使基因(yin)工程領域(yu)發生革(ge)命性變化的(de)(de)基因(yin)擴增方法——PCR一(yi)樣，“CRISPR正(zheng)(zheng)通過如此多的(de)(de)方式影(ying)響生命科學”。

不過(guo)(guo)，盡(jin)管CRISPR前途大好，但(dan)一些(xie)科(ke)學(xue)家(jia)擔心(xin)(xin)，這(zhe)(zhe)個領域(yu)極(ji)快的(de)(de)發展步(bu)伐幾乎沒有(you)為解決類似試驗可(ke)能引(yin)發的(de)(de)倫理和安(an)全問(wen)題留出時間。當今年4月關(guan)于科(ke)學(xue)家(jia)利用(yong)CRISPR改造人類胚(pei)胎的(de)(de)新聞(wen)曝出時，該(gai)問(wen)題被推到了聚(ju)光燈下(xia)。雖(sui)然(ran)他(ta)們使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)胚(pei)胎無法使(shi)(shi)嬰兒(er)安(an)全出生(sheng)，但(dan)這(zhe)(zhe)項報道引(yin)發了關(guan)于是否以及如何使(shi)(shi)用(yong)CRISPR使(shi)(shi)人類基因組產生(sheng)可(ke)遺傳的(de)(de)變化的(de)(de)激烈(lie)爭辯。同時，還有(you)其他(ta)的(de)(de)顧慮存在。比如，一些(xie)科(ke)學(xue)家(jia)擔心(xin)(xin)，接受過(guo)(guo)基因編輯的(de)(de)生(sheng)物體會(hui)擾(rao)亂整個生(sheng)態系統。

引發研究革命

長久以(yi)來，生物學(xue)家一直在(zai)利(li)用(yong)分子(zi)工(gong)具(ju)編(bian)(bian)輯基因組。大(da)(da)約10年前，他們因一種(zhong)有望精確且(qie)(qie)高效地編(bian)(bian)輯基因、被(bei)稱為(wei)鋅指核酸酶的(de)酶而興奮(fen)不已。不過，馬薩諸塞州布蘭(lan)迪斯(si)大(da)(da)學(xue)分子(zi)生物學(xue)家James Haber表示，需要(yao)(yao)花(hua)費5000多美元(yuan)才能訂購(gou)到(dao)的(de)鋅指并未被(bei)普遍采用(yong)，因為(wei)它(ta)們很難進行基因改造且(qie)(qie)花(hua)費頗高。CRISPR卻大(da)(da)不相(xiang)同：它(ta)依靠(kao)一種(zhong)利(li)用(yong)引導(dao)性RNA分子(zi)將(jiang)其(qi)導(dao)向(xiang)目標DNA、被(bei)稱為(wei)Cas9的(de)酶，然后(hou)編(bian)(bian)輯DNA以(yi)擾亂基因或(huo)插入想要(yao)(yao)的(de)序列。通常，研究(jiu)人(ren)員需要(yao)(yao)訂購(gou)的(de)只是(shi)RNA片段，其(qi)他成分都(dou)是(shi)現(xian)成的(de)。全部花(hua)費只有30美元(yuan)。“這(zhe)使得該技術走向(xiang)大(da)(da)眾化，因此每個人(ren)都(dou)在(zai)使用(yong)它(ta)。”Haber說，這(zhe)的(de)確是(shi)一場巨大(da)(da)的(de)革(ge)命(ming)。

CRISPR方法正(zheng)快速超越鋅指(zhi)核酸(suan)酶和其他編輯工具(ju)。對(dui)一(yi)些研(yan)究人員(yuan)來說(shuo)，這(zhe)意味著要放棄曾(ceng)花費數年(nian)來完(wan)善的技(ji)(ji)術(shu)。“我(wo)很郁悶。”英國韋(wei)爾科姆基金會桑(sang)格學院研(yan)究所(suo)遺傳(chuan)學家Bill Skarnes說(shuo)，“但(dan)又很興奮。”Skarnes在自己(ji)職業(ye)生(sheng)涯(ya)的大部分時間都在使用上世紀(ji)80年(nian)代(dai)引(yin)入(ru)的一(yi)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)：將DNA插入(ru)胚胎干細胞(bao)，然后(hou)利用這(zhe)些細胞(bao)產(chan)生(sheng)轉基因(yin)小鼠。這(zhe)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)變成實(shi)驗室(shi)的主力，但(dan)同時耗(hao)費時間且非常昂貴。CRISPR所(suo)需時間很少(shao)，因(yin)此Skarnes在兩年(nian)前采用了這(zhe)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)。

研(yan)究(jiu)人(ren)(ren)員傳統上(shang)嚴重依賴諸如小鼠、果蠅等模式生物(wu)(wu)。目(mu)前，CRISPR使在(zai)更多生物(wu)(wu)體中(zhong)編輯基因(yin)成為可(ke)能(neng)。例如，今年4月(yue)，馬薩諸塞州(zhou)懷特海德生物(wu)(wu)醫學研(yan)究(jiu)所研(yan)究(jiu)人(ren)(ren)員的(de)(de)(de)報(bao)告稱，利(li)用CRISPR研(yan)究(jiu)了白色念珠(zhu)菌。這是(shi)一(yi)種在(zai)免疫系統減弱的(de)(de)(de)人(ren)(ren)群中(zhong)尤其具有(you)致死性但一(yi)直很難在(zai)實驗(yan)室中(zhong)進行基因(yin)操控的(de)(de)(de)真菌。來(lai)自(zi)加(jia)州(zhou)大學伯克利(li)分校(xiao)的(de)(de)(de)CRISPR技(ji)術先驅Jennifer Doudna正(zheng)在(zai)記錄被CRISPR改變的(de)(de)(de)生物(wu)(wu)清單。截至目(mu)前，她已擁有(you)近40個條(tiao)目(mu)，包括(kuo)致病寄生蟲——錐(zhui)體蟲和被用來(lai)制(zhi)造生物(wu)(wu)燃(ran)料的(de)(de)(de)酵母菌。

然而(er)，快(kuai)速的(de)(de)進步有(you)著(zhu)自身的(de)(de)弊端。“人(ren)們(men)根本沒(mei)有(you)時間(jian)描述這(zhe)個系統中(zhong)一(yi)些最基本參數的(de)(de)特(te)征。”加州大學(xue)舊(jiu)金山分(fen)校生(sheng)物(wu)物(wu)理學(xue)家Bo Huang說，“現(xian)在有(you)這(zhe)樣(yang)一(yi)種心態(tai)，即只要它能發揮作用，我們(men)就(jiu)不需要理解它是如(ru)(ru)何(he)以及為何(he)發揮作用的(de)(de)。”這(zhe)意味(wei)著(zhu)研究人(ren)員偶爾會遇到(dao)故障。Huang和他的(de)(de)實驗室奮斗了(le)兩個月，使CRISPR適(shi)用于成像研究。他懷(huai)疑(yi)，如(ru)(ru)果對如(ru)(ru)何(he)使引導性RNA的(de)(de)設計(ji)最優化了(le)解得更多，耽擱的(de)(de)時間(jian)會更少。

獲得廣泛應用

去年，麻省理工學(xue)院生物工程學(xue)家Daniel Anderson和他的同(tong)事在小鼠(shu)身上利(li)用(yong)(yong)CRISPR修正了一(yi)個同(tong)人類代謝(xie)性疾病相關的突變(bian)tyrosinaemia。這是(shi)首(shou)次利(li)用(yong)(yong)CRISPR在成年動物體內修正致病突變(bian)，并且是(shi)將該項技術用(yong)(yong)于(yu)人類基因療法(fa)的一(yi)個重大進步。

在科學和生(sheng)物技術(shu)圈，CRISPR能(neng)加快基(ji)因治療領域發展(zhan)的(de)(de)(de)想(xiang)法是一個(ge)主要(yao)的(de)(de)(de)興奮(fen)點。不過，在凸顯潛力的(de)(de)(de)同(tong)時，Anderson的(de)(de)(de)研(yan)究還(huan)展(zhan)現了真正應用(yong)這項(xiang)技術(shu)還(huan)有多遠的(de)(de)(de)路(lu)要(yao)走(zou)。為將Cas9酶和其引(yin)導性RNA送入(ru)目標器官——肝臟，該研(yan)究團隊(dui)不得不用(yong)泵將通常(chang)被認為在人體(ti)內(nei)不宜存在的(de)(de)(de)大(da)量流體(ti)送入(ru)血管。試驗僅在0.4%的(de)(de)(de)細(xi)胞中(zhong)修(xiu)正了致(zhi)病(bing)突變，而(er)這并不足以對(dui)很多疾病(bing)產生(sheng)影響。

過去兩年里(li)，一(yi)些公司(si)如(ru)雨后(hou)春筍般(ban)出現，開發(fa)基于(yu)(yu)CRISPR的基因(yin)療法(fa)。Anderson和其(qi)他人表(biao)示，此類療法(fa)的首(shou)次臨床試驗會在(zai)(zai)接(jie)下來的一(yi)到兩年內(nei)進行。這些首(shou)批試驗或許將(jiang)勾勒出CRISPR的應(ying)用(yong)場景，即CRISPR成(cheng)分能(neng)被直(zhi)接(jie)注入眼睛等(deng)器官(guan)，或者細(xi)(xi)胞(bao)能(neng)從人體(ti)移除并在(zai)(zai)實驗室(shi)中進行基因(yin)改造后(hou)被放(fang)回(hui)體(ti)內(nei)。例如(ru)，形成(cheng)血液的干細(xi)(xi)胞(bao)可能(neng)被修正用(yong)于(yu)(yu)治療諸如(ru)鐮狀細(xi)(xi)胞(bao)性(xing)貧(pin)血癥或β-地(di)中海(hai)貧(pin)血等(deng)疾(ji)病。雖(sui)然將(jiang)酶和引導性(xing)RNA送入很多其(qi)他組織將(jiang)是一(yi)項更(geng)大的挑戰，但研究(jiu)人員希(xi)望(wang)有一(yi)天這項技術能(neng)被用(yong)于(yu)(yu)解決更(geng)廣范的遺傳疾(ji)病。

在(zai)Anderson和(he)(he)其(qi)他(ta)人(ren)正在(zai)瞄準(zhun)修(xiu)正人(ren)類細胞內的DNA時，一些人(ren)將(jiang)目光投向(xiang)了(le)農作(zuo)(zuo)(zuo)物和(he)(he)牲畜。在(zai)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)編輯技術出現前，這(zhe)往往是(shi)通(tong)過(guo)將(jiang)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)插入基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組中隨意位置(zhi)實現的，連同基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)一起的還有來自(zi)細菌、病毒或其(qi)他(ta)物種驅動基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)表達的序(xu)列。不(bu)過(guo)，這(zhe)個過(guo)程效(xiao)率很低，并且總是(shi)成為討厭來自(zi)不(bu)同物種的DNA混合在(zai)一起或擔(dan)心這(zhe)種插入會(hui)擾亂其(qi)他(ta)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)的批(pi)評人(ren)士的素材(cai)。更重(zhong)要的是(shi)，獲得轉基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)作(zuo)(zuo)(zuo)物使用批(pi)準(zhun)非(fei)常復雜(za)且花(hua)費頗高，以(yi)至于接受基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)修(xiu)正的都是(shi)大型大宗商(shang)品作(zuo)(zuo)(zuo)物，比如玉(yu)米(mi)和(he)(he)大豆。

有了CRISPR，形勢將發生改變：快捷和低成本或許(xu)會使基因編(bian)輯成為較小(xiao)型特殊作物和動物的(de)一(yi)個可行(xing)選(xuan)擇。過去(qu)幾(ji)年間，研究人員利用該方法對(dui)小(xiao)型豬進行(xing)了基因改造，并且(qie)獲(huo)得(de)了抗病小(xiao)麥和水稻。他們還在通過基因改造獲(huo)得(de)沒(mei)有角的(de)牛、抵抗疾病的(de)山羊和富含維生素的(de)甜橙等方面取得(de)進步。

生態系統(tong)或(huo)被(bei)改變(bian)

除了農業，研究(jiu)人員正在(zai)(zai)考慮CRISPR如(ru)何能(neng)被(bei)或者(zhe)說應當(dang)被(bei)用(yong)于野外的(de)生物體。大(da)部(bu)分注(zhu)意力集(ji)中在(zai)(zai)一種被(bei)稱為基(ji)因(yin)驅動的(de)方法(fa)上(shang)，因(yin)為它能(neng)迅速將被(bei)編輯基(ji)因(yin)在(zai)(zai)整(zheng)個(ge)種群中傳(chuan)播。這(zhe)項工作(zuo)正處于起步階段，但類(lei)似(si)技術(shu)能(neng)被(bei)用(yong)于消滅攜帶(dai)疾病的(de)蚊子或蜱蟲，清(qing)除入侵植物或消除使(shi)一些美國農民飽(bao)受(shou)折磨(mo)的(de)豬草中的(de)除草劑(ji)抗性。

不過，很多(duo)研(yan)究人員(yuan)非常擔心，改變整個種(zhong)群或將(jiang)其全部清除會對生(sheng)態系統產生(sheng)無法預知的(de)災難性后(hou)果：這(zhe)可能意味著(zhu)其他害蟲(chong)會出現，或者影(ying)響食(shi)物(wu)鏈上處于(yu)較(jiao)高位置(zhi)的(de)捕食(shi)者。他們還擔心，引導性RNA會隨(sui)(sui)著(zhu)時間的(de)推移發生(sheng)突變。隨(sui)(sui)后(hou)，這(zhe)種(zhong)突變將(jiang)席(xi)卷整個種(zhong)群，產生(sheng)始料未及(ji)的(de)影(ying)響。

“這種方法(fa)(fa)不得不擁有相當高的(de)回報，因(yin)為它具有不可逆(ni)轉的(de)危險和給其(qi)他物種帶來的(de)意料之(zhi)外或很難預估的(de)后果。”哈佛醫學(xue)院生物工程師George Church表示。2014年4月，Church和一組科學(xue)家及政策專家在《科學(xue)》雜志上撰寫了一篇評論(lun)文章，警告研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)試(shi)驗性(xing)基(ji)因(yin)驅動意外泄漏帶來的(de)風險，并且提(ti)出了防止(zhi)此事發生的(de)方法(fa)(fa)。

當時(shi)，基(ji)因驅動看上去還是一(yi)(yi)個遙遠(yuan)的前景(jing)。然而，不到一(yi)(yi)年后(hou)，加州大學(xue)圣(sheng)地亞哥分校(xiao)發(fa)育生物(wu)學(xue)家Ethan Bier和他的學(xue)生Valentino Gantz報告稱，他們在果蠅中(zhong)設(she)計(ji)出類似系統。Bier和Gantz利用(yong)3層的箱子(zi)容納果蠅，并(bing)且采(cai)用(yong)了通常用(yong)于研究攜帶(dai)瘧疾(ji)的蚊子(zi)的實驗室安全舉措。不過(guo)，他們并(bing)未遵循上述評(ping)論(lun)文章作者極力推薦(jian)的所(suo)有指(zhi)導原則，比如設(she)計(ji)逆轉(zhuan)基(ji)因改造所(suo)致變(bian)化的方法。Bier說，他們正在開展首個原理性試驗，并(bing)且想知道該(gai)系統能(neng)否(fou)在變(bian)得更加復(fu)雜(za)之前行(xing)之有效(xiao)。

對(dui)于(yu)Church和(he)其(qi)他人來(lai)說，這是一(yi)個明確的(de)警告，即(ji)通過(guo)CRISPR開展(zhan)的(de)基(ji)因(yin)編輯的(de)大眾化會產(chan)生無(wu)法預(yu)料和(he)不想(xiang)看到(dao)的(de)結果(guo)。麻省理工學院(yuan)政治學家(jia)Kenneth Oye說：“我們需要更多的(de)行動。”美國國家(jia)研究委員會已經形成(cheng)專家(jia)組(zu)探討基(ji)因(yin)驅(qu)動，其(qi)他高級別(bie)商討也正在開始(shi)進行。不過(guo)，Oye擔心，科(ke)學正在以閃(shan)電般的(de)速度向前發(fa)展(zhan)，而(er)監管上(shang)的(de)改變可能只在基(ji)因(yin)驅(qu)動泄漏事件受(shou)到(dao)關注后才會發(fa)生。

然(ran)而(er)，該(gai)問(wen)題(ti)并不(bu)是(shi)非黑即白。得州農(nong)工大(da)學昆(kun)蟲生態學家Micky Eubanks表示，基因驅(qu)動(dong)的(de)(de)提法最(zui)初讓他大(da)吃一驚(jing)。“我最(zui)初本(ben)能的(de)(de)反應是(shi)‘我的(de)(de)天，這太恐怖了。它是(shi)如此的(de)(de)令(ling)人(ren)恐懼(ju)’。”Eubanks說(shuo)，但當你再考慮一下(xia)，并將其同人(ren)類已經造(zao)成并且將繼(ji)續造(zao)成的(de)(de)環境改變作(zuo)下(xia)權衡，會發(fa)現它只不(bu)過是(shi)滄(cang)海(hai)一粟。