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  那么,到底什么是基因编辑?为什么人类要研究基因编辑?之前已经在这个领域做出了哪些成果?今天我们就把基因编辑好好扒一扒。

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  国家卫计委于2016年下发国家卫生计生委办公厅《关于规范有序开展孕妇外周血胎儿游离DNA产前筛查与诊断工作的通知》,今年3月1日,山东省卫计委又再次下发鲁卫妇幼字【2018】1号关于印发《山东省孕妇外周血胎儿游离DNA产检测机构及采血服务的产前筛查机构与产前诊断机构合作备案办法》的通知。根据规定,各级卫生计生行政部门要按照《产前诊断技术管理办法》的要求,将孕妇外周血胎儿游离DNA产前筛查与诊断,纳入辖区内产前诊断技术统一管理。产前诊断机构可独立或与具备相应检测能力的医学检验所和其他医疗机构合作,开展孕妇外周血胎儿游离DNA产前筛查与诊断服务。产前筛查机构应当在产前诊断机构指导下承担采血服务,并与之建立合作机制。

  一时间人们都对这种“反人伦”的事儿开始了激烈的讨论,我一写体育的连肽键是什么都搞不清楚,不过最近看到了一组篮球基因的重组似乎挺有意思的,我来复述一下。

  2007年:证实了CRISPR-Cas后天性免疫系统假设,且表明Cas9蛋白可能是免疫干扰中所需的唯一一种Cas蛋白;

  最近世界上首例艾滋病免疫婴儿在中国诞生的消息引起广泛关注,这项手术通过基因编辑敲除了受精卵的CCR5基因,使得新生儿有可能天然免疫HIV病毒。在这一消息公布后,引起了科学界的一片谴责。科学界在谴责什么?基因编辑是怎么回事?我看了很多相关报道,都没有说明白,只好自己动手。经过几天查找资料和学习,有了初步的总结,在这里为大家讲解一下,希望对你们有益。

  近年来,以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术为生命医学带来革命性变化,人们对基因编辑、基因治疗等新技术寄予厚望,期待在临床治疗方面大放异彩、攻克顽疾难症。

  这项技术足以被称为一场科技革命。中美两国都把基因编辑研究列入国家级战略规划。

  2018年1月,美国宣布将在未来6年出资1.9亿美元,支持体细胞基因编辑研究,以开发安全有效的基因编辑工具,治疗更多人类疾病。美国不惜重金发展基因编辑技术,显然对该技术十分看好。

  近两年,中国在精准医疗领域政策发布也非常密集,对基因编辑等技术给予大量支持,并将精准医疗上升为国家战略,计划在2030年投入600亿元。2017年4月印发《“十三五”生物技术创新专项规划》,点明发展“新一代基因操作技术”。

  研究报告显示,2016至2020年全球精准医疗市场规模将以每年15%的速率增长。预计2020年全球精准医疗市场规模将破千亿,达到1050亿美元,“基因剪刀”将是撬动千亿级大市场的一把钥匙。

  基因是带有遗传讯息的DNA片段,基因支持着生命的基本构造和性能。储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。环境和遗传的互相依赖,演绎着生命的繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要生理过程。生物体的生、长、衰、病、老、死等一切生命现象都与基因有关。

  第一种,癌症或肿瘤。人的身体里有40万亿到60万亿个细胞,每个细胞都有基因,人类的细胞量是如此的庞大,所以细胞的基因突变随时都在人体中发生。

  人体的免疫系统可以识别出发生突变的细胞,并将其消灭,所以大多数时候人是安全的。

  但是当基因突变的细胞突然剧增,比如遭到高辐射污染,或者免疫力突然下降,在体内的免疫系统没有能力处理所有的突变细胞的时候,其中的一部分癌细胞就有了迭代的时间,迭代出免疫系统无法识别或者无法杀死的版本,就会发展成癌症或肿瘤。

  第二种,基因缺陷疾病。人类的基因或多或少会有一些缺陷,但是在大多数情况下,缺陷基因不会引发遗传病,因为人类的基因来自于父方和母方,当只有一条存在缺陷时,大多数情况下表现为隐性。

  但是人类中一些不幸的个体基因缺陷被表现为显性,比如困扰霍金一生的渐冻人症,亨廷顿舞蹈症,强制性脊柱炎,镰刀型红细胞贫血症等等。患有基因疾病的往往会痛苦一生。

  第三种,病毒。病毒是一种个体微小,结构简单,只含一种核酸(DNA或RNA),必须在活细胞内寄生并以复制方式增殖的非细胞型生物。

  病毒是一种非细胞生命形态,它由一个核酸长链和蛋白质外壳构成,病毒没有自己的代谢机构,没有酶系统。因此病毒离开了宿主细胞,就成了没有任何生命活动、也不能独立自我繁殖的化学物质。一旦进入宿主细胞后,它就可以利用细胞中的物质和能量以及复制、转录和转译的能力,按照它自己的核酸所包含的遗传信息产生和它一样的新一代病毒。

  寄生于细菌等微生物者,称为细菌病毒,即噬菌体;其寄生于植物者,称为植物病毒;其寄生于动物者,称为动物病毒。

  第一种、第二种基因疾病是细胞自身基因突变导致的,治疗这两种疾病最直接的方法就是把细胞中突变了的基因改回正常的基因编码。这种修改基因编码的技术叫做“基因编辑”技术。巧合的是,最有效的基因编辑技术来自于细菌抵御病毒的防御机制。

  基因编辑技术早在1970年代就出现了,过去的做法是人工修改靶点基因,但是这些的方法要么耗时太长,以年为单位,要么操作起来太复杂。以前科学家必须把基因编辑委托给专业的生物公司来完成,所以长久以来,很少有科学家会把它应用于实验室或临床。

  随着这几年基因测序的成本越来越低,科学家发现了一种普遍存在于细菌和古细菌中的,叫做CRISPR-Cas系统的病毒防御机制,而且通过科学家的改造,CRISPR-Cas系统变成了人类控制基因的最有利工具。

  CRISPR技术使基因编辑的时间从以年为单位缩短到几天,成本降到原来的1%,几乎是一夜之间,有大量的资本和创业者涌入了基因编辑领域,从2016年第一家CRISPR技术公司上市以来,已经有多家同类公司上市。而且CRISPR技术的发明人也成为了这场基因革命中最大的赢家。

  长久以来,噬菌体和细菌一直在进行攻防战,噬菌体入侵细菌的方式,是让自己的基因侵入到细菌的细胞核里,细胞核里有细胞的DNA和各种酶,原本是细胞的复制工厂,但是噬菌体侵入细胞核后会利用细胞核的生产能力复制自己,直到复制出数以百万计的新噬菌体、榨干了细菌的所有营养,然后破开细菌,向外扩散。

  然而科学家们发现,在噬菌体肆虐并且杀死大多数细菌以后,有少部分细菌会幸存下来,而这些幸存下来的细菌体内会对之前肆虐的病毒产生抗性,对这些细菌进行基因组分析后发现,这些细菌的DNA上有一种奇怪的基因序列,这种基因序列是成簇的、规律性间隔的、短回文重复,简称CRISPR。在CRISPR里保存着噬菌体的DNA信息,而把这些序列整合到新的细菌的CRISPR里,会使新细菌也对噬菌体产生抗性。

  CRISPR-Cas系统分为两部分,一部分是DNA的Cas序列,这段序列用来生成和CRISPR系统有关的一系列酶,目前发现的Cas系列酶一共有Cas1~Cas13这13种,都是用来配合CRISPR-Cas系统工作的。另一段是CRISPR序列,这段序列可以想象成细胞的疫苗接种本。

  第一步,记录病毒DNA片段。细胞的Cas1和Cas2酶会发现入侵细胞的病毒DNA,然后截取其中的一段DNA片段,并在其他酶的帮助下把病毒的DNA片段插入到CRISPR序列里。

  第二步,细胞制造自己的防御武器来抵御病毒入侵。CRISPR-Cas系统有三种方式制造武器,叫做TypeⅠ、Ⅱ、Ⅲ,目前研究最成熟、应用最广泛的是属于Type2类型的CRISPR-Cas9系统,也就是CRISPR和Cas9酶互相配合的系统。

  这两条RNA会和一种叫做Cas9的酶结合,这就构成了细胞的防御武器。

  在这个武器里,包含两个部分:钥匙和剪子。crRNA和tracrRNA组合在一起,相当于一把钥匙,因为生成这把钥匙的遗传信息来源于CRISPR上的病毒DNA片段,所以只有再次入侵细胞的病毒DNA才能匹配这把钥匙。

  Cas9会抓着这把钥匙,在细胞里寻找和这钥匙匹配的病毒DNA,然后Cas9就会像剪子一样,把这段病毒DNA给剪断,把病毒DNA破坏掉,从而使病毒失去作用。

  CRISPR-Cas9系统的强大源于CRISPR基座转录出的RNA,这两段RNA只有发现匹配的DNA编码,才会精准地进行剪切。

  2012年,加州大学伯克利分校的结构生物学家詹妮弗-杜德纳(JenniferDoudna)和瑞典于默奥大学的埃马纽埃尔-卡彭蒂耶(EmmanuelleCharpentier)联合小组成功对CRISPR-Cas9系统进行了改造,将tracrRNA和crRNA利用基因工程整合为一条链,称为单链引导RNA(singleguideRNA,sgRNA)。只要控制sgRNA,就可以使Cas9在细胞DNA的任意指定位置制造断裂,然后再利用细胞的自我修复能力,就能实现对细胞DNA的删除、添加或修改命令。

  比如,把黑色小老鼠表达黑色毛发的基因片段剪切掉,同时植入表达白色毛发的基因片段,细胞就会通过自然愈合过程将新的白色毛发基因重新附着在对应的位置上。

  因为CRISPR技术简单易用性,基因编辑的时间从以年为单位缩短到几天,成本降到原来的1%,甚至受过训练的大学生都能操作,人类第一次掌握如此强大的基因编辑工具,从此基因编辑技术进入爆发式增长阶段。

  2016年,Editas成为首家CRISPR技术上市公司,这家公司由MIT华裔科学家张峰和詹妮弗杜德纳创办,之前已经提到过詹妮弗杜德纳,张峰也是CRISPR技术的先驱,2013年时张峰团队曾首次在人体细胞内成功利用CRISPR-Cas系统实现基因编辑,不过后来詹妮弗杜德纳完全退出了这家公司。

  在不久后詹妮弗杜德纳自己创办的IntelliaTherapeutics也成功上市。截至2018年,短短两年间就诞生了6家CRISPR技术上市公司。

  目前CRISPR技术仍有许多问题亟待解决,但是也有了很多突破性的研究成果,比如2017年有科学家宣布,已经成功利用CIRSPR技术去除掉感染艾滋病毒的大白鼠体内50%的艾滋病毒。

  让我们回顾那条消息,世界上首例艾滋病免疫婴儿在中国诞生,这项手术敲除了受精卵的CCR5基因,而CCR5基因是HIV病毒入侵机体细胞的主要辅助受体之一。此前资料显示,在北欧人群里面有约10%的人天然存在CCR5基因缺失。拥有这种突变的人,能够关闭致病力最强的HIV病毒感染大门,使病毒无法入侵人体细胞,即有可能天然免疫HIV病毒。

  实施这一手术的是前南方科技大学前副教授贺建奎,这个人可以说利欲熏心至极。

  前文已经说过,他用的技术就是CRISPR-Cas9技术,这项技术并不复杂,受过训练的大学生都能做。这项实验一直没人做,不是因为太难,而是没有甘愿冒天下之大不韪去做。

  贺建奎的行为和其商业利益有关,贺建奎是深圳市瀚海基因生物科技有限公司的法定代表人和第一大股东,贺建奎直接持有瀚海基因27.41%的股份,又通过珠海瀚海创梦科技管理合伙企业(有限合伙)间接持有瀚海基因5.83%的股份。根据南方日报报道,瀚海基因在2017年的估值已经达到15亿元。

  第一,CRISPR-Cas9并不成熟。研究发现,CRISPR-Cas9并不只单单切除和sgRNA编码完全匹配的基因,还会切除和sgRNA编码相近的基因,学名“脱靶”。这就好比你本来要给打电话,结果你认为也是正确的电话号码,给打了过去。这在原始的细菌/古细菌防御病毒的机制中本来是件好事,因为外源病毒DNA有可能发生变异,扩大切除范围有利于抵御病毒入侵。但是换成切割人体自己的DNA就不是好事了,把不该切的地方切掉,有可能会导致癌症或者各种莫名疾病。第二,就算敲除了线基因,还是有两方面的不确定性。5的基因即使被敲除,也无法完全阻断艾滋病毒感染。2.敲除掉CCR5基因以后新生儿可能承担未知风险,比如对流感的抵抗力下降,目前还不明确。

  第三,通过生殖繁衍,被修改基因的DNA有可能扩散到整个人类物种。今年10月有个事情成了笑话,川普和一个自称是印第安人后裔的女参议员打赌说,你若能证明你是印第安人后裔我就给你一百万美元,于是那个女参议员真的去做了基因鉴定,结果是她有1/1024的印第安血统,川普给了这位参议员百万美元的一千零二十四分之一的支票976.56美元。美国1776年建国,至今已二百多年,经过繁衍,很多美国人现在或多或少都有一点印第安人和黑人血统,这说明就算是小种群,也可以通过繁衍的方式把自己的基因扩散到整个物种。而新生的那对婴儿一旦与自然人生产后代,那么她们基因里的潜在风险就会逐渐扩散到整个人类物种。到那时,也许人类会因为一场流感而灭绝。

  疟疾是对人类威胁最大的一种疾病,据统计,2015年有2亿感染疟疾、近50万人死亡。疟疾是由一种寄生在蚊子体内的单细胞动物“疟原虫”传播的,由于蚊子的繁殖能力实在太强了,人类要想消灭蚊子几乎是不可能的。要想根治疟疾,其中一个办法就是让蚊子不再携带疟原虫。

  20年前,一位名叫安东尼-詹姆斯的生物学家正在致力于培育不会传播疟疾的蚊子。他的想法很好,但结果是失败的。首先,让蚊子不携带疟疾是非常困难的,最终,詹姆斯在几年前利用添加基因的方式才使蚊子抵抗疟原虫的寄生成为可能。

  但是接下来还有一个问题。即使有了抵抗疟疾的蚊子,那么要如何替换掉那些携带疟疾的蚊子呢?可以向大自然中释放一群新型的经过基因改造的蚊子,寄希望于它们大量繁殖,稀释原来的基因。可是问题在于差不多要释放10倍于原来蚊子数量的转基因蚊子才有效果。如果一个小镇上有一万只蚊子,就要释放十万只转基因蚊子。可以想象,小镇村民肯定不会接受这个方案。

  后来,安东尼詹姆斯收到了一封来自于一名叫伊森比尔的生物学家的邮件。比尔说他和他的研究生瓦伦蒂诺-甘茨无意中发现了一种工具,不仅可以保证特定的基因会被遗传,而且基因传播的速度难以置信的快。如果他们是对的,就从基本上解决了这个詹姆斯潜心研究20年的问题。

  实验中需要两只携带抗疟疾基因的蚊子,以及新的工具,即基因驱动装置。实验的设计是任何携带抗疟疾基因的蚊子将拥有红色的眼睛,而不是常见的白色眼睛。这只是为了更好的通过肉眼就可以区分它们的基因携带情况。

  研究者把两只抗疟疾红眼蚊子放入一个有30只普通白眼蚊子的盒子中,让它们自由繁殖。两代繁殖之后,培养了3800个子二代。这并不是让人惊讶的部分。下面才是惊人的部分:如果一开始只有两只红眼蚊子,三十只白眼蚊子,它们自由繁殖的后代大多数应该是白眼。然而当詹姆斯打开盒子,3800只蚊子全部都是红眼。这打破了生物学的绝对基本定律,孟德尔遗传学定律。孟德尔遗传学认为,当雄性和雌性交配,它们的后代会遗传父母各一半的基因。所以如果本来蚊子的基因是aa转基因蚊子的基因是aB,B是抗疟疾基因,后代应该呈现下面四种基因组合:aa aB aa Ba。然而使用了新的基因驱动之后,它们全变成了aB型。从生物的角度说这应该是不可能的。

  几年前,哈佛大学的一名叫做凯文-恩斯福尔特的生物学家探究如果不仅仅在新基因中使用CRISPR,在剪切复制机制中也使用CRISPR,会发生什么情况。换言之,如果CRISPR自己也进行复制粘贴会如何。于是就得到了永动的基因修改工具。事实果真如此。恩斯福尔特创造的CRISPR基因驱动装置不仅保证了性状的传播,而且当它作用于生殖细胞的时候,它会在每个个体的两条染色体上自动复制粘贴新的基因。就像是全面检索并替换的功能,用学术术语来说,就是杂合子性状纯合化。

  那么这意味着什么呢?首先,人类拥有了一个很强大,但同时也令人担忧的新工具。通常当我们对有机体的基因进行研究时,会研究一些进化中不太可能发生的改变。生物学家可以随心所欲培育变异果蝇,根本不用担心任何后果。就算有些逃出了实验室,也无法在自然界中存活和繁殖。

  基因驱动的强大和可怕之处在于这种情况不再是理所当然的了。想象新的性状并没有一个像蚊子不会飞那样的很大的进化缺陷,基于CRISPR的基因驱动将很快地让每一个个体拥有这种性状。

  现在,只要在1%的疟蚊身上使用含有抗疟疾基因的基因驱动装置,疟蚊就是传播疟疾的蚊子,研究者预测一年之内所有疟蚊都会获得新的基因。登革热、基孔肯雅热、黄热病也可以同样被根除。

  这项技术会越来越成熟。如果你想根除入侵物种,比如五大湖中的亚洲鲤鱼。只要使用基因驱动让鱼群只能繁衍雄性后代。几代之后没有了雌性鲤鱼,鲤鱼种群就会随之消失。理论上我们可以通过这个方式保护上百种濒临灭绝的本地物种。

  上面都是好的部分,下面说说负面影响。基因驱动的效率太高,以至于不经意释放的样本都可能在短时间内引起整个种群的巨大改变。詹姆斯做好了预防措施。他在一个生物控制实验室繁殖蚊子,并且蚊子也并不是美国本土的种类,所以就算蚊子逃跑了,也会因为没有办法交配而灭绝。但是如果有一些携带只繁殖雄性后代基因驱动的亚洲鲤鱼偶然从五大湖被带回了亚洲,这可能会让整个亚洲鲤鱼种群灭绝。鉴于现在世界联系的紧密程度,这是很有可能的。这也是为什么会出现物种入侵。这是鱼类的情况。而像蚊子和果蝇一类的生物,它们经常漂洋过海,基本上是没有办法限制它们的。

  另外一个坏消息,基因驱动不一定被限制在我们所谓的靶物种上。这是源于基因流动,基因流动意思是相似的物种偶尔会彼此杂交。如果发生了杂交,有可能基因驱动会穿过物种的限制,比如亚洲鲤鱼可能会影响其他的鲤鱼种类。如果基因驱动只是改变了一个性状,比如眼睛颜色,可能还好。而实际上,近期很可能将会有大量奇怪的果蝇被培育出来。不过如果基因驱动被用于毁灭物种,可能会导致大的灾难。

  更为可怕的是基因驱动的技术,这种能够培育含有基因驱动的有机体的技术,基本上在世界上任何一个实验室都可以做到。本科生就可以做到。甚至有天赋的高中生在有设备的情况下都可以做到。

  国家一定要迅速立法严格监管,潘多拉魔盒已经打开,我们可能还有一线机会在不可挽回前,关上它。

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