應用領域?qū)⑼貙?基因測序或成下一風口

近期，一場由全球主要基因編輯工作者發(fā)起人類基因編輯國際峰會在華盛頓舉行，探討了與基因編輯技術有關的各項熱門議題。峰會聲明并未嚴厲禁止對于早期人類胚胎或生殖細胞的基因編輯行為，研究人員仍可進行基礎的研究。這意味著目前的重點仍將是基因編輯技術本身發(fā)展和潛在應用。

基因編輯 為重癥患者打開希望之門

當一顆受精卵開始分裂發(fā)育，細胞中DNA攜帶的遺傳因子決定了胚胎將具有親代的各種特征。如果親代攜帶某些嚴重疾病的遺傳基因的話，那么子代不幸的命運或許在未出生前已經(jīng)注定。除卻遺傳因素，DNA無數(shù)次復制過程中出現(xiàn)意外(基因突變)，也將令生命個體備受掙扎。目前的醫(yī)學水平，卻對上述的困境無能為力。而在可期的將來，一切將有所改變。

12月初，由美國國家科學院、美國國家醫(yī)學院、中國科學院和英國皇家學會共同舉辦人類基因編輯國際峰會上透露，通過基因編輯技術有望治療B型血友病。

資料顯示，B型血友病是由指示肝臟產(chǎn)生凝血因子IX的基因發(fā)生突變引起的，是一種遺傳性疾病。患者會因凝血功能紊亂而自發(fā)性內(nèi)出血，并可能因難以止血而面臨生命危險。患者往往如玻璃人般整日過著膽戰(zhàn)心驚的生活。

此次在峰會上透露的臨床試驗消息顯示，美國科學家使用ZFN(鋅指核酸酶)基因編輯工具，在基因組中插入一種正確版本的突變基因，并遞送到了缺乏因子IX基因的小鼠和靈長類動物的肝臟中。科學家們宣布實驗動物的凝血功能恢復了正常。很快將在成人血友病B患者身上開展試驗。未來還將把這項技術轉(zhuǎn)移到兒科領域。

就在一個月前，英國方面才剛宣布通過基因編輯技術治好了一名1歲大的白血病患兒。該名患兒被確診患有急性淋巴細胞白血病，常規(guī)的化療以及骨髓移植治療方式對其已無法奏效。在其父母的支持下，醫(yī)院采用德國生物技術公司Cellectis開創(chuàng)的細胞方法治療這名患兒。科學家們利用了名為TALENs(類轉(zhuǎn)錄激活因子效應物核酸酶)的基因編輯工具對來自美國的捐贈者的血液進行了3次編輯。關閉了兩個基因，并添加了抗白血病基因，最終將1ml含有5000個編輯過的細胞注入患兒體內(nèi)，令患兒身體恢復并能夠接受骨髓移植術。術后患兒接受檢查發(fā)現(xiàn)癌細胞已經(jīng)完全消除。這項大膽的試驗此前僅在小白鼠身上試驗過。

多倫多病童醫(yī)院的研究人員則宣布利用另一種基因編輯工具，令杜氏肌營養(yǎng)不良患者的細胞中恢復了蛋白功能。

由此可見，基因編輯技術給重癥患者帶來了重生的希望。利用基因編輯技術矯正致病突變，治療人類疾病有著廣闊的前景。

化繁為簡 CRISPR-Cas9開創(chuàng)新紀元

事實上，刪除、加入或改變一個基因組中的DNA，科學家們在很多年前就能做到，但可能需要一年或更長的時間來進行復雜的基因組修飾，而使用的動物幾乎只有小白鼠。近年來陸陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一系列基于核酸酶的可編程基因組編輯技術，令研究人員能在任何物種中實現(xiàn)精確的基因修飾，并有著核苷酸水平的精確度。

ZEN和TALENs工具便屬于其中的兩種，本質(zhì)上均是利用非同源末端鏈接途徑(NHEJ)修復和同源重組(HR)修復，聯(lián)合特異性DNA的靶向識別及核酸內(nèi)切酶完成的DNA序列改變，為人工核酸酶技術。ZFN 的基因打靶效率能夠達30%左右，但ZFN的脫靶切割會導致細胞毒性，令其在基因治療領域具有局限性。TALENs工具在某種程度上完成了ZFN的大部分工作，但構建更簡單，效果也更好。在商用領域，TALENs的試劑盒售價也更為便宜。

到了2012年，新一代基因編輯工具CRISPR-Cas9閃亮登場，它的本質(zhì)功能和ZFN 、TALENs相同。不同的是，CRISPR-Cas9是一個天然存在的原核生物 RNA干擾系統(tǒng)。CRISPR-Cas9 其實是細菌和古細菌在長期演化過程中形成的一種適應性免疫防御，可用來對抗入侵的病毒及外源DNA.

早在1987年，日本學者發(fā)現(xiàn)，在大腸桿菌的基因末端有一段間隔重復的DNA序列。2007年左右，通過對不同細菌的研究，CRISPR作用機理才逐步清晰。在細菌及古細菌中，CRISPR系統(tǒng)共分成三類，其中Ⅰ類和Ⅲ類需要多種CRISPR相關蛋白(Cas蛋白)共同發(fā)揮作用，而Ⅱ類系統(tǒng)只需要一種Cas蛋白即可，這為其能夠廣泛應用提供了便利條件。

2012年8月，美國加州伯克利分校Jennifer Doudna和馬克普朗克感染生物研究所Emmanuelle Charpentier在《science》上發(fā)表論文介紹如何使用CRISPR-Cas9系統(tǒng)工作，并通過更換向?qū)NA序列來實現(xiàn)基因編輯。這種技術被業(yè)內(nèi)形象地比喻為剪刀分子技術，意味著用分子剪刀剪除幾段基因組，然后再進行回填和修補，就掌握了技術的精髓。對于稍微通曉生物醫(yī)學知識的研究人員而言，只要訂購一段向?qū)NA，利用通用的實驗室材料，就能快速建立需要的模型。成本僅為ZFN的幾十分之一。

此后3年，利用CRISPR-Cas9工具在不同領域應用研究論文迅速增加，據(jù)統(tǒng)計達到650篇之多，由此也可以看出CRISPR-Cas9的易懂易操作性。

安全性不斷增強 倫理問題存爭議

雖然CRISPR-Cas9被業(yè)界熱捧，甚至成為諾貝爾化學獎的有力競爭者，需要注意的是任何一項全新的科學技術都要經(jīng)歷安全性的論證。CRISPR-Cas9之母Jennifer Doudna在2014年參加了一場學術會議得知，一位使用CRISPR-Cas9工具的科研者很容易地構建出了人肺癌小鼠動物模型。這反而令她擔憂，如果出現(xiàn)一點問題，那患上肺癌的不是小鼠而是人類。

麻省理工學院的生物工程師Daniel Anderso認為CRISPR藥物很快將進入臨床試驗階段。更多科學家認為需要開展更多的工作，保證CRISPR技術的安全和功效。因為用于基因編輯的酶在非目標區(qū)域發(fā)生作用，或加快細胞增殖，形成腫瘤。

“許多安全問題都與脫靶效應相關。”從事CRISPR工具研究的另一位知名科學家張鋒指出。近日，他和團隊則在《science》發(fā)表論文稱，麻省理工學院和哈佛大學Broad研究院、麻省理工學院麥戈文人腦研究所的研究人員設計改造了革命性的CRISPR-Cas9基因組編輯系統(tǒng)，從而顯著減少“脫靶”編輯錯誤。具體而言就是化膿性鏈球菌Cas9酶由約1400個氨基酸組成。在他們研究的具體案例中，改變其中三個氨基酸可顯著地將 “脫靶編輯”減少到不可檢測的水平。研究小組將這種新近改造的酶稱為“增強型”化膿性鏈球菌Cas9，該實驗室很快會將這種增強型酶提供給世界各地的研究人員。

除了安全問題，更令人擔憂的是快速高效的基因編輯帶來的倫理問題。理論上，通過基因編輯人類未來不僅可以治愈包括癌癥、地中海貧血、艾滋病在內(nèi)的絕癥。還可以運用基因編輯來改造自己的基因并遺傳給下一代。有觀點認為最終富人和窮人可能變成不同物種，人類社會也將面臨巨大的挑戰(zhàn)。對于生態(tài)環(huán)境而言，人類完全可以通過基因編輯來改變雜草、害蟲的基因，使其基因帶有某種突變，或令種群滅絕。雖然可能會消滅瘧疾等傳染疾病，但會否因此造成其他生態(tài)問題就不得而知了。

在此次人類基因編輯峰會召開前，便已經(jīng)出現(xiàn)了具有爭議的案例。據(jù)《自然》4月的報道，在中山大學副教授、基因功能研究員黃軍就的帶領下，科研人員利用CRISPR-Cas9技術，試圖修改人類胚胎中可能導致β型地中海貧血的基因。根據(jù)進一步的消息，科研人員選用的人類胚胎是卵子和雙精子受精所生成，完全不可能發(fā)育為正常嬰兒。盡管如此還是在業(yè)界引起了巨大的風波。反對者認為這已經(jīng)觸及了倫理底線，應該停止類似的研究。但也不乏支持者，有的科學家認為這種情況下受精卵不一定能定義為生殖細胞。另有科學家認為僅僅作為研究，利用CRISPR-Cas9技術編輯人類胚胎和生殖細胞是可行的。更開放的觀點認為，可以對胚胎進行基因編輯，從而使具有基因疾病的嬰兒出生后有更好的生活質(zhì)量。

人類基因編輯峰會發(fā)表的一份聲明，對于研究所涉及的倫理底線也亮明了態(tài)度。這份聲明稱，強化基因編輯技術的基礎和臨床前期研究“顯然是必要的”，應在適當?shù)姆珊偷赖卤O(jiān)管監(jiān)督下繼續(xù)開展。但如果在研究中對早期人類胚胎或生殖細胞進行了基因編輯，那么被修改的細胞不得用于懷孕目的。對于不會遺傳給后代的體細胞研究，大多數(shù)科學家顯然持支持態(tài)度。對于在生殖細胞能否使用基因編輯技術，部分科學家認為也不需要永遠摒棄這一想法。

盡管面臨倫理天花板的爭議，但學界普遍認為基因編輯技術未來在醫(yī)療健康、生物育種方面仍大有可為。