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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)芭乐视频ios下载安装 發布時間：2016-06-11 編輯：黑馬

美國舊金山格萊斯頓研究所遺傳學家Bruce Conklin一直試圖找(zhao)到(dao)DNA變異如(ru)何影響不(bu)同的人類疾病(bing)，但使用的工具有些笨重。

 

美國舊金山格萊(lai)斯頓研究(jiu)所遺傳學家Bruce Conklin一直試圖(tu)找到DNA變異(yi)如(ru)何影響(xiang)不(bu)同的(de)人類(lei)疾(ji)病(bing)，但使用的(de)工具有些(xie)笨重。當他研究(jiu)來自病(bing)人的(de)細胞(bao)時，很(hen)難(nan)知道哪(na)個序列對疾(ji)病(bing)來說很(hen)重要，哪(na)些(xie)只(zhi)是背景噪音(yin)。同時，將突(tu)變植入細胞(bao)是一項昂(ang)貴(gui)且費力的(de)工作。

2012年，他通過閱讀了(le)解到一項(xiang)最(zui)新發表的(de)(de)、被稱為(wei)CRISPR的(de)(de)技(ji)術。它能使研(yan)究人員快速改(gai)變(bian)幾乎任何(he)生物(wu)體的(de)(de)DNA，包括人類(lei)。此后不久，Conklin放棄了(le)此前為(wei)疾(ji)病建(jian)立模型的(de)(de)方法(fa)，轉而采(cai)用(yong)這項(xiang)新技(ji)術。目前，他的(de)(de)實驗室正在(zai)狂熱地改(gai)變(bian)同各種心臟(zang)疾(ji)病相關(guan)的(de)(de)基因(yin)。“CRISPR正帶來翻天覆地的(de)(de)變(bian)化(hua)。”Conklin說。

這種情感被廣泛(fan)共享：CRISPR正(zheng)在生(sheng)物(wu)醫學(xue)研究領(ling)(ling)域引起一場巨變。不像(xiang)其他基(ji)(ji)因(yin)編輯手(shou)段(duan)，它(ta)使用起來廉(lian)價、迅速(su)且簡單，并因(yin)此席卷全球實(shi)驗室。研究人員希望利用它(ta)調(diao)整人類基(ji)(ji)因(yin)以消除疾病(bing)，創造生(sheng)命力(li)更(geng)加頑強的(de)(de)植物(wu)，并且消滅(mie)病(bing)原體。“自從事科(ke)研以來，我經歷過(guo)(guo)兩次大(da)(da)的(de)(de)發展。”康奈爾(er)大(da)(da)學(xue)遺傳學(xue)家John Schimenti表示(shi)，像(xiang)在1985年被發明后使基(ji)(ji)因(yin)工程領(ling)(ling)域發生(sheng)革命性變化(hua)的(de)(de)基(ji)(ji)因(yin)擴增方法(fa)——PCR一樣，“CRISPR正(zheng)通過(guo)(guo)如此多的(de)(de)方式影(ying)響生(sheng)命科(ke)學(xue)”。

不過(guo)，盡管CRISPR前途(tu)大好，但一(yi)些科(ke)(ke)學家擔(dan)心(xin)，這個(ge)領域極快的發展步伐幾乎沒有(you)為解決類似試(shi)驗可能引發的倫理和安(an)全(quan)問題留(liu)出(chu)(chu)時間(jian)。當(dang)今年4月(yue)關(guan)于科(ke)(ke)學家利(li)用CRISPR改造人類胚胎的新聞(wen)曝出(chu)(chu)時，該問題被推到了聚光燈下(xia)。雖然他們使(shi)用的胚胎無法使(shi)嬰兒安(an)全(quan)出(chu)(chu)生(sheng)，但這項報道引發了關(guan)于是否(fou)以及如何使(shi)用CRISPR使(shi)人類基(ji)因組產生(sheng)可遺傳的變(bian)化的激(ji)烈爭辯。同時，還有(you)其他的顧慮存在。比如，一(yi)些科(ke)(ke)學家擔(dan)心(xin)，接受過(guo)基(ji)因編輯的生(sheng)物體會擾亂整個(ge)生(sheng)態系(xi)統。

引(yin)發研究革命

長久(jiu)以來，生(sheng)物學家一(yi)直在(zai)利用(yong)分(fen)子工(gong)具編輯基因(yin)組(zu)。大(da)約10年前，他們(men)因(yin)一(yi)種有(you)(you)望精確且(qie)(qie)高效地編輯基因(yin)、被稱為(wei)鋅指核酸酶的(de)酶而興奮不(bu)已。不(bu)過(guo)，馬薩諸塞(sai)州布蘭迪斯大(da)學分(fen)子生(sheng)物學家James Haber表示，需(xu)要花費(fei)(fei)5000多(duo)美(mei)(mei)元(yuan)才能訂(ding)購到(dao)的(de)鋅指并未(wei)被普遍(bian)采(cai)用(yong)，因(yin)為(wei)它們(men)很(hen)難進行基因(yin)改造且(qie)(qie)花費(fei)(fei)頗高。CRISPR卻(que)大(da)不(bu)相同：它依(yi)靠一(yi)種利用(yong)引導性RNA分(fen)子將其導向目標DNA、被稱為(wei)Cas9的(de)酶，然后(hou)編輯DNA以擾亂基因(yin)或插(cha)入想要的(de)序列(lie)。通(tong)常，研究人員需(xu)要訂(ding)購的(de)只是(shi)RNA片段(duan)，其他成(cheng)分(fen)都(dou)是(shi)現(xian)成(cheng)的(de)。全部花費(fei)(fei)只有(you)(you)30美(mei)(mei)元(yuan)。“這(zhe)使得該(gai)技(ji)術走向大(da)眾(zhong)化，因(yin)此每個(ge)人都(dou)在(zai)使用(yong)它。”Haber說，這(zhe)的(de)確是(shi)一(yi)場巨大(da)的(de)革命。

CRISPR方(fang)法正(zheng)快速超越鋅指核酸酶和其他編(bian)輯工具。對一些研究人員來(lai)說(shuo)，這意味(wei)著要放棄曾花(hua)費數年來(lai)完善的(de)(de)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)。“我(wo)很郁(yu)悶(men)。”英國韋爾科(ke)姆基金會桑格(ge)學院研究所遺(yi)傳學家Bill Skarnes說(shuo)，“但(dan)又很興奮。”Skarnes在自己職業生(sheng)涯的(de)(de)大(da)部分時間都在使用上世(shi)紀80年代引入的(de)(de)一項(xiang)(xiang)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)：將DNA插入胚胎干細(xi)胞(bao)，然后(hou)利用這些細(xi)胞(bao)產生(sheng)轉基因小(xiao)鼠。這項(xiang)(xiang)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)變成實驗(yan)室(shi)的(de)(de)主力，但(dan)同時耗費時間且非常(chang)昂貴。CRISPR所需時間很少，因此(ci)Skarnes在兩年前采用了這項(xiang)(xiang)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)。

研(yan)(yan)究人(ren)員傳統(tong)上(shang)嚴重(zhong)依賴諸(zhu)(zhu)如(ru)小鼠、果蠅等(deng)模式(shi)生物。目(mu)前，CRISPR使在(zai)更多(duo)生物體中(zhong)編輯(ji)基(ji)因(yin)成為可能。例如(ru)，今年4月，馬薩(sa)諸(zhu)(zhu)塞州(zhou)懷特海德生物醫(yi)學研(yan)(yan)究所研(yan)(yan)究人(ren)員的(de)(de)報告稱(cheng)，利用CRISPR研(yan)(yan)究了(le)白色念珠菌。這是一種在(zai)免疫系統(tong)減弱的(de)(de)人(ren)群中(zhong)尤其具有致死性但一直很難(nan)在(zai)實驗室中(zhong)進行基(ji)因(yin)操(cao)控的(de)(de)真菌。來自加州(zhou)大學伯克利分校(xiao)的(de)(de)CRISPR技術先驅Jennifer Doudna正在(zai)記錄(lu)被CRISPR改變的(de)(de)生物清單。截至目(mu)前，她已擁有近40個條目(mu)，包括(kuo)致病寄生蟲——錐體蟲和被用來制造生物燃料的(de)(de)酵母菌。

然而，快速(su)的進(jin)步有著自身的弊端。“人(ren)們根本沒有時間(jian)描述這(zhe)(zhe)(zhe)個系統(tong)中一些最基本參數的特征。”加州大學舊金(jin)山(shan)分校生物(wu)物(wu)理學家Bo Huang說，“現在(zai)有這(zhe)(zhe)(zhe)樣一種心態，即(ji)只要(yao)它能發揮作用，我(wo)們就不(bu)需要(yao)理解它是如(ru)何以及為何發揮作用的。”這(zhe)(zhe)(zhe)意味(wei)著研究(jiu)人(ren)員(yuan)偶爾會遇(yu)到故(gu)障。Huang和他的實驗(yan)室奮斗了兩個月(yue)，使(shi)CRISPR適(shi)用于成(cheng)像研究(jiu)。他懷(huai)疑，如(ru)果對如(ru)何使(shi)引(yin)導性RNA的設(she)計最優(you)化了解得更(geng)多，耽擱的時間(jian)會更(geng)少。

獲得(de)廣泛應用

去年，麻省(sheng)理工(gong)學院生物(wu)工(gong)程學家(jia)Daniel Anderson和(he)他的同事(shi)在小鼠(shu)身(shen)上利用CRISPR修正了(le)一個同人類代謝性(xing)疾病相(xiang)關的突變tyrosinaemia。這是首次利用CRISPR在成年動物(wu)體內(nei)修正致病突變，并且是將該項技術用于人類基因療法(fa)的一個重大(da)進(jin)步。

在(zai)(zai)科學(xue)和生物技術(shu)圈，CRISPR能加快基(ji)因治療領(ling)域(yu)發展的(de)想法是一個主要的(de)興奮點。不過，在(zai)(zai)凸顯潛(qian)力的(de)同時，Anderson的(de)研(yan)究(jiu)還展現了真正應用(yong)這項技術(shu)還有(you)多(duo)遠的(de)路要走。為將Cas9酶和其引導(dao)性RNA送(song)入目標器官——肝臟(zang)，該研(yan)究(jiu)團(tuan)隊不得(de)不用(yong)泵將通常被認為在(zai)(zai)人體內不宜存在(zai)(zai)的(de)大量流體送(song)入血管。試(shi)驗僅在(zai)(zai)0.4%的(de)細胞(bao)中修正了致病突變，而這并(bing)不足以對很多(duo)疾病產生影響。

過(guo)去兩年里，一(yi)些公(gong)司(si)如(ru)雨(yu)后春筍(sun)般(ban)出現，開(kai)發(fa)基于(yu)CRISPR的(de)(de)基因(yin)(yin)療(liao)(liao)法。Anderson和其他人(ren)表示，此類療(liao)(liao)法的(de)(de)首次臨床(chuang)試(shi)驗(yan)(yan)會在(zai)接(jie)下來的(de)(de)一(yi)到兩年內進(jin)行。這(zhe)(zhe)些首批試(shi)驗(yan)(yan)或許(xu)將(jiang)勾勒出CRISPR的(de)(de)應用場景，即CRISPR成(cheng)分能被(bei)(bei)直接(jie)注入(ru)眼睛等器官，或者細(xi)胞(bao)能從(cong)人(ren)體移(yi)除并在(zai)實驗(yan)(yan)室(shi)中進(jin)行基因(yin)(yin)改造后被(bei)(bei)放回體內。例如(ru)，形(xing)成(cheng)血液的(de)(de)干細(xi)胞(bao)可(ke)能被(bei)(bei)修正用于(yu)治療(liao)(liao)諸(zhu)如(ru)鐮狀(zhuang)細(xi)胞(bao)性貧血癥或β-地中海貧血等疾病(bing)。雖然將(jiang)酶和引導性RNA送入(ru)很多其他組織將(jiang)是一(yi)項(xiang)更(geng)(geng)大的(de)(de)挑戰，但研究人(ren)員希望有(you)一(yi)天這(zhe)(zhe)項(xiang)技術能被(bei)(bei)用于(yu)解(jie)決更(geng)(geng)廣范的(de)(de)遺(yi)傳疾病(bing)。

在Anderson和其(qi)他(ta)人正在瞄準修正人類細(xi)胞內的(de)(de)DNA時，一些(xie)人將目光(guang)投(tou)向了(le)農作物(wu)和牲畜。在基(ji)因編(bian)輯技術出現(xian)前，這往往是通(tong)過(guo)將基(ji)因插(cha)(cha)入基(ji)因組中隨意位(wei)置實現(xian)的(de)(de)，連同基(ji)因一起(qi)的(de)(de)還有來(lai)自(zi)細(xi)菌、病毒或其(qi)他(ta)物(wu)種驅(qu)動基(ji)因表達的(de)(de)序列。不過(guo)，這個過(guo)程效(xiao)率很低(di)，并且(qie)總(zong)是成(cheng)為討厭來(lai)自(zi)不同物(wu)種的(de)(de)DNA混(hun)合在一起(qi)或擔心這種插(cha)(cha)入會擾亂其(qi)他(ta)基(ji)因的(de)(de)批評人士的(de)(de)素材。更重要的(de)(de)是，獲得轉基(ji)因作物(wu)使用(yong)批準非常(chang)復雜且(qie)花費頗高，以至于接(jie)受(shou)基(ji)因修正的(de)(de)都是大(da)型(xing)大(da)宗商(shang)品(pin)作物(wu)，比如玉米和大(da)豆。

有了CRISPR，形勢將發(fa)生(sheng)改(gai)變：快捷和低成(cheng)(cheng)本或(huo)許會使(shi)基(ji)因編輯成(cheng)(cheng)為較小(xiao)型(xing)特殊作(zuo)物和動物的一個可行(xing)(xing)選擇(ze)。過去幾年間，研(yan)究人員利用該(gai)方法(fa)對小(xiao)型(xing)豬進(jin)行(xing)(xing)了基(ji)因改(gai)造，并且獲得(de)(de)了抗(kang)病(bing)小(xiao)麥和水稻。他們還(huan)在通過基(ji)因改(gai)造獲得(de)(de)沒有角的牛、抵(di)抗(kang)疾病(bing)的山羊和富含維生(sheng)素的甜橙等方面取得(de)(de)進(jin)步。

生態系統或(huo)被改變

除了農(nong)業，研究人員正在考(kao)慮(lv)CRISPR如何(he)能(neng)被(bei)或者說應當被(bei)用于野外的生物(wu)(wu)體。大部(bu)分注(zhu)意(yi)力(li)集中(zhong)(zhong)在一種被(bei)稱(cheng)為基因驅動的方(fang)法上，因為它能(neng)迅速將被(bei)編輯基因在整個種群中(zhong)(zhong)傳播。這(zhe)項工作正處于起步階段，但類似技術能(neng)被(bei)用于消滅攜帶疾病的蚊子或蜱蟲，清除入侵(qin)植(zhi)物(wu)(wu)或消除使一些(xie)美(mei)國(guo)農(nong)民飽受折磨的豬草(cao)中(zhong)(zhong)的除草(cao)劑抗性(xing)。

不(bu)過，很多研究人員非(fei)常擔心(xin)，改變(bian)(bian)整個種群(qun)或將其全部清(qing)除會對生態系統產(chan)生無法預(yu)知的災(zai)難性后果(guo)：這可能意味(wei)著其他害蟲會出(chu)現，或者影響(xiang)(xiang)食物(wu)鏈上處(chu)于較(jiao)高位置的捕(bu)食者。他們還擔心(xin)，引導性RNA會隨著時間(jian)的推移發生突變(bian)(bian)。隨后，這種突變(bian)(bian)將席卷整個種群(qun)，產(chan)生始料未及的影響(xiang)(xiang)。

“這種方法(fa)不得不擁有相當高的回報，因(yin)為(wei)它具有不可(ke)逆轉的危險和(he)給其他物(wu)種帶(dai)來的意料之外(wai)或很難預(yu)估(gu)的后果。”哈佛醫學(xue)院生(sheng)物(wu)工程師George Church表示(shi)。2014年(nian)4月，Church和(he)一組科學(xue)家(jia)及政策專家(jia)在(zai)《科學(xue)》雜志上撰寫(xie)了一篇(pian)評(ping)論文(wen)章，警告研究(jiu)人員試(shi)驗(yan)性(xing)基(ji)因(yin)驅動意外(wai)泄漏帶(dai)來的風險，并(bing)且提出了防止此事發生(sheng)的方法(fa)。

當時，基(ji)因驅動看上(shang)去還(huan)是(shi)一(yi)個遙(yao)遠(yuan)的(de)前(qian)景。然(ran)而，不到一(yi)年后，加州大學圣地亞哥分校發(fa)育生物學家(jia)Ethan Bier和(he)(he)他(ta)的(de)學生Valentino Gantz報告稱，他(ta)們(men)在(zai)果蠅中設(she)計出類似系統。Bier和(he)(he)Gantz利用3層的(de)箱子容(rong)納果蠅，并且(qie)采用了通常用于(yu)研究攜帶瘧(nve)疾的(de)蚊(wen)子的(de)實驗(yan)室安全舉措。不過，他(ta)們(men)并未遵循(xun)上(shang)述評(ping)論(lun)文章作者極力推薦(jian)的(de)所有指導原則，比如設(she)計逆轉基(ji)因改造所致變化的(de)方法。Bier說(shuo)，他(ta)們(men)正(zheng)在(zai)開(kai)展(zhan)首(shou)個原理性試驗(yan)，并且(qie)想知道該系統能否在(zai)變得更加復雜之(zhi)前(qian)行之(zhi)有效。

對于Church和其他人來說，這是一個(ge)明確的(de)(de)警告，即(ji)通過CRISPR開(kai)展的(de)(de)基因(yin)編輯的(de)(de)大眾化會產生無法預料和不想看到(dao)的(de)(de)結果。麻省理(li)工學院政治(zhi)學家(jia)(jia)Kenneth Oye說：“我(wo)們需要更多(duo)的(de)(de)行動。”美(mei)國(guo)國(guo)家(jia)(jia)研(yan)究委員(yuan)會已經形成(cheng)專家(jia)(jia)組探討基因(yin)驅動，其他高級別商討也正在開(kai)始進行。不過，Oye擔心，科學正在以閃電(dian)般的(de)(de)速度向(xiang)前發展，而(er)監(jian)管上(shang)的(de)(de)改變(bian)可能只在基因(yin)驅動泄漏事件(jian)受(shou)到(dao)關注后才會發生。

然而，該問題并不是非黑即白(bai)。得州(zhou)農工大(da)學昆蟲生態學家Micky Eubanks表(biao)示，基因驅動的(de)提法最初讓他大(da)吃(chi)一(yi)驚。“我最初本能的(de)反(fan)應(ying)是‘我的(de)天(tian)，這太恐(kong)怖了(le)。它(ta)是如(ru)此的(de)令人恐(kong)懼’。”Eubanks說(shuo)，但當你再考慮(lv)一(yi)下，并將其同(tong)人類已經造成并且將繼續造成的(de)環境改變作下權衡，會發現它(ta)只不過是滄海一(yi)粟。