全新基因编辑技术引发研究领域巨变

资料来源:Sbastien Thibault

美国旧金山格拉德斯通研究所的遗传学家布鲁斯·康克林一直试图找出DNA变异如何影响不同的人类疾病，但所用的工具有些麻烦。当他研究病人的细胞时，很难知道哪些序列对疾病很重要，哪些只是背景噪音。同时，将突变植入细胞是一项昂贵而费力的任务。

2012年，他通过阅读了解到一种新发表的技术，名为CRISPR。它使研究人员能够迅速改变几乎任何生物的DNA，包括人类。此后不久，康克林放弃了以前的疾病建模方法，采用了新技术。目前，他的实验室正在热情地改变与各种心脏病相关的基因。" CRISPR正在带来翻天覆地的变化。"康克林说。

这种情绪被广泛认同:CRISPR正在生物医学研究中引起巨大变化。与其他基因编辑方法不同，它便宜、快速、使用简单，因此风靡了世界各地的实验室。研究人员希望用它来调整人类基因以消除疾病，创造出生命力更强的植物并消除病原体。"自从我从事科学研究以来，我经历了两大发展."康奈尔大学的遗传学家约翰·西门蒂说，就像——聚合酶链反应，一种在1985年发明后彻底改变了基因工程领域的基因扩增方法，“CRISPR在很多方面影响着生命科学。”

然而，尽管CRISPR有着光明的未来，一些科学家担心这一领域的极快发展速度几乎没有时间来解决类似试验中可能出现的伦理和安全问题。今年4月，当科学家使用CRISPR重建人类胚胎的消息被披露时，这个问题被推到了聚光灯下。尽管他们使用的胚胎不能保证婴儿的安全出生，但该报告引发了一场关于CRISPR是否以及如何用于人类基因组中可遗传变化的激烈辩论。与此同时，还有其他担忧。例如，一些科学家担心接受基因编辑的生物体会扰乱整个生态系统。

发起一场研究革命

长期以来，生物学家一直使用分子工具来编辑基因组。大约10年前，他们被一种叫做锌指核酸酶的酶所激发，这种酶有望准确有效地编辑基因。然而，马萨诸塞州布兰代斯大学的分子生物学家詹姆斯·哈伯说，订购价值超过5000美元的锌指并没有被广泛使用，因为它们很难进行基因改造，而且价格昂贵。CRISPR则完全不同:它依赖于一种叫做Cas9的酶，这种酶利用一种领先的核糖核酸分子将其导向目标脱氧核糖核酸，然后编辑脱氧核糖核酸来破坏基因或插入所需的序列。通常，研究人员只需要订购核糖核酸片段，其他成分也很容易获得。总费用只有30美元。"这使得这项技术很受欢迎，所以每个人都在使用它."哈伯说，这的确是一场伟大的革命。

CRISPR方法正在迅速超越锌指核酸酶和其他编辑工具。对一些研究人员来说，这意味着放弃花了数年时间来完善的技术。“我很沮丧。”“但这令人兴奋，”英国韦尔科姆基金会桑格研究所的遗传学家比尔·斯卡内斯说。斯卡内斯在他职业生涯的大部分时间里都在使用20世纪80年代引进的一种技术:将DNA插入胚胎干细胞，然后用这些细胞生产转基因小鼠。这项技术已经成为实验室的支柱，但同时也非常耗时和昂贵。CRISPR只需要很少的时间，所以Skarnes两年前就采用了这项技术。

研究人员传统上严重依赖模型生物，如老鼠和果蝇。目前，CRISPR使编辑更多生物的基因成为可能。例如，今年4月，马萨诸塞州怀特海生物医学研究所的研究人员报告说，CRISPR被用于研究白色念珠菌。这是一种真菌，对免疫系统脆弱的人特别致命，但在实验室里很难进行基因操作。加州大学伯克利分校CRISPR技术的先驱Jennifer Doudna正在记录一份被CRISPR改变的生物体清单。到目前为止，她有近40个条目，包括用于制造生物燃料的致病寄生虫锥虫和酵母。

然而，快速的进步也有它自己的缺点。“人们没有时间描述这个系统中一些最基本参数的特征。”加州大学旧金山分校的生物物理学家黄波说，“现在有一种心态，只要它起作用，我们就不需要理解它是如何以及为什么起作用的。”这意味着研究人员偶尔会遇到失败。黄和他的实验室花了两个月的时间来制造适合成像研究的CRISPR。他怀疑如果他知道更多关于如何优化前导核糖核酸设计的知识，延迟会更少。

已经被广泛使用。

去年，麻省理工学院生物工程学家丹尼尔·安德森和他的同事使用CRISPR纠正了一种突变酪氨酸血症，这种突变与小鼠的人类代谢疾病有关。这是CRISPR首次被用于校正成年动物的致病突变，这是将这一技术应用于人类基因治疗的一大进步。

在科学和生物技术领域，CRISPR可以加速基因治疗发展的想法是一个令人兴奋的事情。然而，在强调其潜力的同时，安德森的研究也显示了真正应用这项技术还有多远。为了将Cas9酶及其主要的核糖核酸输送到目标器官——肝脏，研究小组不得不将大量液体泵入血管，这在人体内通常被认为是不合适的。该试验仅纠正了0.4%细胞中的致病突变，这不足以影响许多疾病。

在过去的两年里，一些公司涌现出来开发基于CRISPR的基因疗法。安德森和其他人说，这种疗法的第一次临床试验将在未来一到两年内进行。这些第一次试验可以概述CRISPR的应用场景，即CRISPR成分可以直接注射到器官如眼睛中，或者细胞可以从人体中取出并在实验室进行遗传修饰后再放回体内。例如，造血干细胞可以被改造成治疗镰状细胞性贫血或β地中海贫血等疾病。尽管将酶和核糖核酸导入许多其他组织将是一个更大的挑战，但研究人员希望有一天这项技术能用于解决更广泛的遗传疾病。

安德森和其他人正致力于纠正人类细胞中的DNA，而有些人则着眼于农作物和牲畜。在基因编辑技术出现之前，这通常是通过在随机位置将基因插入基因组，以及来自细菌、病毒或其他物种的驱动基因表达的序列来实现的。然而，这一过程效率很低，并且总是成为那些讨厌混合不同物种的DNA或者担心这种插入会干扰其他基因的批评家的素材。更重要的是，获得转基因作物的使用许可是如此复杂和昂贵，以至于转基因作物都是像玉米和大豆这样的大宗商品。

有了CRISPR，情况将会改变:快速和低成本可能使基因编辑成为小型特殊作物和动物的可行选择。在过去的几年里，研究人员用这种方法对小型猪进行了基因改造，获得了抗病的小麦和大米。他们还通过基因改造在获得无角牛、抗病山羊和富含维生素的甜橙方面取得了进展。

生态系统可能会改变

除了农业，研究人员正在考虑CRISPR如何能够或者应该被用于野生生物。大部分注意力都集中在一种叫做基因驱动的方法上，因为它可以将编辑过的基因快速传播到整个人群中。这项工作还处于起步阶段，但类似的技术可以用来消灭携带疾病的蚊子或蜱，清除入侵植物或消除困扰一些美国农民的猪草中的除草剂抗性。

然而，许多研究人员非常担心，改变整个种群或完全消除它们会给生态系统带来不可预测的灾难性后果:这可能意味着其他害虫会出现或影响食物链较高位置的捕食者。他们还担心前导核糖核酸会随着时间而变异。然后，突变将席卷整个人群，产生意想不到的效果。

“这种方法必须有相当高的回报，因为它有不可逆转的风险，而且对其他物种的后果难以预料。”哈佛医学院的生物工程师乔治·丘奇说。2014年4月，丘奇和一群科学家和政策专家在《科学》杂志上写了一篇评论，警告研究人员意外基因驱动的泄漏的风险，并提出预防方法。

当时，基因驱动似乎是一个遥远的前景。然而，不到一年后，加州大学圣地亚哥分校的发育生物学家伊森·比尔和他的学生瓦伦蒂诺·甘茨报告说，他们在果蝇身上设计了类似的系统。比尔和甘茨用一个三层的盒子来装果蝇，并采用了实验室常用的安全措施来研究携带疟疾的蚊子。然而，他们没有遵循上述综述文章作者强烈推荐的所有指导原则，例如设计方法来逆转由基因改造引起的变化。比尔说，他们正在进行第一次原理测试，想知道系统是否能在变得更复杂之前工作。

对丘奇和其他人来说，这是一个明确的警告，通过CRISPR进行基因编辑的普及将会产生不可预测和不良的结果。“我们需要更多的行动，”麻省理工学院的政治学家肯尼斯·瓦耶说。美国国家研究委员会成立了一个专家组来讨论基因驱动，其他高级别讨论也开始了。然而，瓦耶担心科学正以闪电般的速度向前发展，监管变化可能只有在基因驱动的泄露引起关注后才会发生。

然而，问题不是黑或白。德克萨斯A&M大学的昆虫生态学家米奇·尤班克斯说，他最初对基因驱动的想法感到惊讶。“我最初的本能反应是‘天哪，这太可怕了。太可怕了。“尤班克斯说，但是当你再考虑一下，并把它与人类已经造成并将继续造成的环境变化相比较时，你会发现这只是沧海一粟。(宗华)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2015年6月11日)

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