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基因魔剪,是如何修改生命的说明
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基因魔剪,是如何修改生命的说明书

2020-10-13 14:55 主页 来源:未知
基因魔剪,是如何修改生命的说明书


生命的本质是一种特殊语言,和中文英文没什么两样。这意味着我们可以像编辑文本一样地修改生命。但遗憾的是,我们对它的理解还很初级。

 


 

这是个基因的时代。你一定对“基因改良”、“基因疗法”这些字眼很熟悉,也可能听过被称为“基因魔剪”的革命性技术CRISPR-Cas9。凭借“傻瓜式”的简单操作和高效的工作效率,CRISPR-Cas9技术令基因编辑推广和商业运作迅速发展。商业价值逐年激增,诺奖呼声始终高涨。有人为它的发明专利争夺至今,有人急于用它来创造新型人类。

2020年10月7日,诺贝尔化学奖颁给法国生物化学家Emmanuelle Charpentier和美国生物学家Jennifer Doudna,以表彰她们对新一代基因编辑技术CRISPR的贡献。全网沸腾。

这究竟是怎样的一项技术,让全世界为之兴奋?它已经、或将会给我们带来什么?

要回答这个问题,先让我们重新认识一下基因。

生命的本质是一种特殊语言

人体细胞里收录着一套详细的“身体组装说明书”,指导着受精卵一步步长成“有头有脸”的人物,甚至生老病死也受其左右。这本天书的“文本”就是DNA(脱氧核糖核酸)。DNA分子由4种碱基(分别用A、T、C、G表示)串联而成。别看只有4种,它们的排列组合无穷无尽,编码出所有生命运作的细节。

生物体DNA里完整的一套遗传信息称为一个“基因组”,它存在于每一个细胞核里。而基因就相当于这本书中的某个章节,一般负责同一个主题(对应特定的功能)。粗略估计,人类基因组中约有2万~3万个基因,能编码出不同功能的蛋白质。我们生存的每一刻,都是它们聚沙成塔,互相协作的结果。

之所用书本和文字作比喻,是因为生命的本质是编码,一种特殊语言,和中文英文没什么两样。这意味着我们可以像编辑文本一样地修改生命的语句,复制、粘贴、删减其中的内容。早在20世纪90年代,就有技术能做这类操作。但遗憾的是,对于这门语言的学习和理解,我们还十分初级。

基因编辑——修改生命的文本

基因编辑技术,就是能“瞄准”某个基因,对其进行修改的技术。

基因组在复制过程中难免发生或大或小的偏差,也就是变异。变异是物种多样性和进化的原因。但有害的变异会导致生理缺陷或疾病。基因编辑的目的就是去芜存菁。

从前,为了得到更香甜的水果或肉质更鲜美的家畜,人们要耗费很多年去筛选、培育优点突出的品种。后来研究发现,水果的糖分或家畜的肌肉之所以到一定程度就不会继续增加,是因为有抑制糖分、抑制肌肉生长的“刹车”基因在起作用。通过修改、减弱这些基因的作用,就能更快、更经济地获得含糖量高、肉质更好的品种。

在医疗方面,基因编辑技术可以剔除有害变异、引入正常片段来修复缺陷基因,或干脆令致病基因失效。2015年,一名罹患急性淋巴细胞白血病的10岁英国小女孩蕾拉,在化疗及骨髓移植均不奏效的绝境下,尝试了基因治疗。医生向她体内注入了5000万个插入了抗白血病基因的正常人细胞。这些抗癌细胞成功挽救了蕾拉的生命。

用传统技术编辑基因,需要把编码剪切酶(一种功能性蛋白)的基因先装入无害的病毒载体中,再导入目标细胞内。由于操作复杂,效率低,很难做到大规模推广。直到CRISPR-Cas技术的出现,基因编辑技术才正式跨入新纪元。

简单、高效的操作,让CRISPR-Cas技术获称“基因魔剪”。|来自网络

细菌:“基因魔剪?又是我玩剩下的”

和众多生物学的伟大发现一样,这把被认为将对人类未来产生巨大影响的“基因魔剪“,又是来自不遭人待见的细菌。

我们知道,包括人类在内的脊椎动物,都有一套“记性极佳”的免疫系统。当被一些病毒 (如水痘)感染后,就不会再次感染,或症状变得很轻。而研发疫苗也是出于类似目的:对一些不好对付的病毒(比如新冠病毒),疫苗能让免疫系统提前熟悉它们的特征、未雨绸缪。

那相对低级的生物怎么保护自己呢?

1987年,日本微生物学家石野良纯在大肠杆菌的DNA中发现了一些奇妙的片段:它们呈正反读起来内容相同的“回文”结构(就像 “花莲喷水池水喷莲花 ”),而且在同一区域里,相同内容的片段间隔、重复地成簇出现,而间隔它们的序列却各不相同。

CRISPR的序列特点,重复片段之间有不同的间隔片段 | 作者供图

起初人们百思不解这种夹花式的组合有什么意义,姑且称之为:“规律成簇的间隔短回文重复序列”,英文首字母缩写就是CRISPR。随着测序技术的发展,各种生物的DNA序列不断被获取,彼此间也有了比较。2000年前后,人们发现大肠杆菌CRISPR里的那些间隔片段,与病毒DNA有高度同源性,尤其是一种专门攻击细菌的病毒——噬菌体。

噬菌体的结构比细菌还要很简陋:一个蛋白质外壳,包裹着里面的DNA。一穷二白的它无法进行自我复制繁衍,只能靠打家劫舍——入侵其他细胞,将DNA植入对方体内,利用别人的原料、“工厂”复制出大量的自己,然后浩浩荡荡离去,留下被严重消耗、千疮百孔的细胞。

噬菌体病毒在感染细菌 | quora.com

为了不坐以待毙,漫长岁月中,那些幸存下来的细菌进化出了一套独特的免疫功能。它们收集病毒的DNA片段,嵌入自己基因组的CRISPR区域。就像相册一样,用重复片段把”敌人的局部特写“条理分明地隔开。这本相册,会随着细菌代代相传。

用相册记住敌人只是第一步,重头戏是阻断病毒企图。

细菌会编码一种和CRISPR配套使用的蛋白(CRISPRAssociated protein),称为CasCas蛋白随身夹带一张来自CRISPR相册的病毒“照片”(为单链状态的CRSIPR RNA,简称crRNA),用以辨认敌人特征。如果入侵的病毒DNA片段正好与这张照片匹配,图穷匕见,Cas就立刻将匹配上的病毒DNA分子“咔嚓”剪断。如果遇到新片段,Cas则会把它收集起来,为CRISPR相册增加新的一页。

细菌的这套机制,和人体免疫系统产生抗体的原理非常接近,实现了“被攻击-记忆-识别-主动攻击”的系列动作。而CRISPR-Cas系统最精彩之处在于它能精确识别病毒DNA片段,原处剪断。于是,科学家们设想:

如果能保留Cas的剪切功能,把“照片”换成我们指定的片段,那岂不是就“指哪儿打哪儿”了吗?

2012年美国加利福尼亚大学伯克利分校的 Jennifer Doudna教授和瑞典于默奥大学的 Emmanuelle Charpentier教授以化脓性链球菌为基础,对这一系统进行了改良。她们发现了剪切效率更高的Cas9蛋白,并把系统进一步简化:将目标片段crRNA和一些辅助元件作为一个整体人工合成,待使用时与Cas9组合成一把完整的CRISPR-Cas9剪刀。

对CRISPR技术做出关键贡献的两位科学家,Emmanuelle Charpentier(法)和 Jennifer Doudna(美),刚刚共获2020年诺贝尔化学奖。

CRISPR-Cas9匹配上目标序列后,切断DNA| 整理自网络

不过,让世人正式看到了这项技术巨大潜力的,是2013年美国博德研究所(Broad Institute)的华人科学家张锋在《科学》杂志发表的成果。他率先证明CRISPR-Cas9系统能用于真核生物(包括动物、植物、真菌等),并且新方案也是“傻瓜式”操作:只要将CRISPR-Cas9溶液撒到细胞上,置于37℃环境一段时间,目标基因就能被切断。即使初级的科研人员,也能顺利操作。

这意味着,与基因修改相关的所有操作(包括敲除、替换、插入等)都将变得十分便捷。巨大的商业应用前景(2020年市场估值170亿美元)让加利福尼亚大学伯克利分校和博德研究所,为了CRISPR的首个专利在法庭上打了好几个回合。尽管根据最新裁定(2010年9月10日),以“杜德纳和加州大学伯克利分校覆盖关于CRISPR的所有专利,而张锋和博德研究所拥有其中的一项关键专利(将CRISPR用于真核生物)”而暂时告一段落,但这场旷日之战恐怕很难就此罢休。

基因编辑婴儿:踏破基因编辑红线?

CRISPR-Cas技术的高效易用,让各个领域的科研人员跃跃欲试。门槛的降低也让风险加速而来。首当其冲的就是伦理隐患。2018年11月,一对婴儿的诞生直接将难题推到了众人眼前。

当月26日,南方科技大学贺建奎团队宣布,经过CRISPR-Cas9基因编辑的两个抗艾滋病试管婴儿已经诞生。全球哗然。

多年来,艾滋病疫苗的研发始终未能成功。而研究表明,艾滋病毒感染人体细胞,需要从细胞表面的受体蛋白(相当于门户)进入。一种名为CCR5的蛋白恰好就是这种门户。理论上只要用CRISPR-Cas9切断编码CCR5蛋白的基因,阻止蛋白生成,就能防止艾滋病毒进入人体细胞。贺建奎团队正是对人类胚胎进行了这种操作,称两个婴儿对艾滋病有天然抵抗能力。

听起来很厉害,但为什么却遭到了一致批评呢?

因为从技术上讲,该研究毫无创新之处,稍有条件的实验室都能做得到。但出于对副作用和伦理的担忧,对于人的非治疗目的基因干预(尤其对胚胎/生殖细胞)是各国科学家达成共识的、现阶段不可触碰的底线。

综合考虑有以下几点:

首先,和其他基因编辑技术一样,CRISPR-Cas9系统并不完美,面临无法避免的“脱靶”效应:除了目标片段,也可能切断基因组里其他相似的片段,造成未知风险。这是该项技术眼下的最大短板。

其次,一个基因未必只对应一个功能。除了编码艾滋病门户蛋白,CRR5基因自身是否有其他功能,与其他基因是否还有协作关系?现阶段我们对人类基因组的认识还十分浅薄,这些都尚不明确。贸然修改并不完全了解的基因,可能引发意想不到的后果。

再者,这种尝试并非出于治疗疾病的目的,而更倾向于创造“更强”的人类。因为阻断HIV病毒的母婴传播在当前医学实践中已有其他更成熟安全且免费的方法,而当前基因编辑技术还未敢被用于“预防”目的。如果预防艾滋病可以,那么预防衰老、肥胖可不可以呢?选择更漂亮、更聪明的孩子是否也可以呢?个中界限很难泾渭分明。CRISPR-Cas9和胚胎都如此易得,一旦他人效仿,又会向谁、以怎样的代价提供服务呢?

更进一步,即便技术完美,人人都能自由修改后代的基因,囿于时代的审美,大家都得到了“完美”孩子,这种多样性缺失的人类基因库,能否保障人类族群度过未知的外界危机呢?比如,令人美丽强壮的基因,恰好对某种未知病毒易感?

贺建奎事件,将基因编辑技术的最大隐患呈现在世人眼前,让人们意识到,随着技术的进步,这类“后果不可逆”的严峻问题,并不如想象中的遥远。

带着脚链跳舞——技术与知识的边界

归根结底,恐惧和盲目都源于未知。

比尔盖茨说,“DNA的编码虽然酷似电脑程序,却比任何已开发的软件高级千万倍”。我们虽然已知道生命受基因调控,但这个过程像一张错综复杂的网,我们对之仍了解得十分粗略。况且基因编辑技术目前并不完美,脱靶时有发生。在这种情况下,肆意用其改造人类基因无疑十分危险。

但CRISPR-Cas9的作用不止于此。跳开对人类可遗传细胞(生殖细胞及胚胎)的编辑,当它用于动物或植物的新品种培育时,将非常快捷而高效;而当它用于人的体细胞(不涉及遗传)研究时,也是帮助我们深入“了解”人类基因的利器

通过修改动植物基因的不同位置,观察对应的功能变化,或者切断不同基因,看整个生物体的变化,都有助于梳理出基因间的关联,摸清生命的运作网络。这种基因的“开关游戏”,不仅能帮我们找到调控动植物性状的基因、对其进行改良,也能帮助我们理解、甚至预测癌症等人类疑难重症的发生。

2013年,冷泉港实验室的研究人员就用CRISPR-Cas9系统切断对应基因,筛出了急性髓系白血病中癌变细胞生长必须的两个酶(LKB1和盐诱导激酶),令以往劳师动众的基因筛选工作效率骤升。

归根结底,我们生活在一个充满奇迹,千变万化的时代,能见证新技术诞生是件很幸运的事情。客观评估技术的能力和局限、认清我们知识的边界,怀着敬畏审慎之心去使用技术,才能让技术造福于人,避免出现我们尚无力承担的后果。

(责编 高佩雯)