它是人类战胜遗传病的曙光，却难摆脱愚昧保守的误解

　　来源：SME科技故事

　　转基因技术向来饱受伦理与研究争议。

　　几年前，一项从细菌中借鉴而来的基因编辑技术应运而生。

　　它能精确更改生物基因，且不引入任何外源基因。

　　一时间成为最炙手可热的基因改造工具之一。

　　然而在上个月，欧盟将基因编辑作物纳入转基因的范畴，实施严格的法律监管。


华人科学家张锋是首个CRISPR/Cas9系统专利的获得者。

　　这也就是近几年处于风火浪尖的新型基因技术的核心系统。

　　它能像修改文档中的错别字一样，对某段基因序列进行编辑修改。

　　强大的基因工程工具却逃不过限制转基因的严管命运。


张锋

　　早在19世纪孟德尔推断遗传物质决定了生物体的性状。

　　人们对其的敬畏之心也由此而生。

　　随着了解得越来越多，改造基因的想法也开始萌芽并付诸行动。

　　基因编辑是按照人类的需求，对目标基因实施特定的更替过程。

　　而这种机制，人们是从细菌身上借鉴而来的。



　　细菌虽然体型细微，却拥有无比顽强的生命力。

　　直到十年前，科学家才发现原来细菌结简单结构的身体里竟也拥有强大的免疫系统。

　　CRISPR/Cas9是大多数细菌或古细菌的一种天然免疫系统。

　　它不仅可用于对抗噬菌体等病毒的入侵。

　　还能抵抗外源DNA的污染，也就具有保护自身基因的能力。


在培养基中培养的细菌

　　当遭受病毒攻击是，细菌会产生相应的酶来抵御侵染。

　　每当一种酶成功杀死入侵的病毒时，一些衍生的酶也会同时出现。

　　它们不满足于一次“战役”的获胜。

　　而是将战败病毒的遗传信息残骸分解储存进CRISPR空间中，以抵御未来的攻击。

　　于是当新的感染发生时，细菌迅速产生特殊的攻击酶――Cas9酶。

　　拥有病毒遗传密码数据库的Cas9则轻易调出“记忆武器”来发动猛烈反击。


被病毒（绿色示意）攻击的细胞

　　第一代基因修饰技术，也就是通俗理解的转基因技术，曾经也在生物界制造了一次强烈的震撼。

　　它采用将外源基因嵌入载体的方法导入宿主细胞。

　　随后，人为添置的基因便可在细胞内表达。

　　这使得生物体展现出预期的性状。

　　最终实现的过程看似不复杂。

　　但其间每一个步骤中选取的适配材料和手段却是难以想象的精密与巧妙。


转基因作物统称为GMO

　　这项技术给人们带来了从基因层面改造生物体的美好希望。

　　然而它的一些潜在隐患也同时得到重点关注。

　　有人担心新增的基因或新表达的蛋白质会对原本生物体造成恶性影响。

　　更担心转基因培育的食品对危害食物链顶端的人类。

　　它甚至还背起了致癌等健康问题的黑锅。



　　虽然实际的影响还没有明确的体现。

　　但人们对于新技术的担忧和谨慎仍被摆在首要考虑的地位。

　　此时，一种基因编辑新技术的问世，为基因修饰提供了更具说服力的方向。



　　CRISPR/Cas9系统本质也是从基因入手进行改造。

　　但它作为一种天然的基因编辑器，自然更适用于生物体本身。

　　因此具有更明显的优点，并规避了一些安全问题。

　　与传统基因修饰中运载体的功能类似。

　　通常把Cas9酶和含有约20个碱基的短链RNA组合形成复合物。

　　而这个短链RNA正是携带有改造性状表达的基因。


过程示意图

　　通过显微镜和细针等工具将CRISPR/Cas9导向器注射进宿主细胞。

　　此时，新基因则在庞大而复杂的DNA基因组中游走。

　　人类基因组中就有超过三亿个碱基。

　　而CRISPR就利用RNA碱基的互补配对原则作为染色体中的导航仪。

　　直到相中那段能与它完全匹配的碱基序列，它才算完成导航任务。


基因针注射过程

　　碱基识别目标基因后，Cas9酶被激活，随后发挥了“剪刀”的作用。

　　它将DNA双链中的特定碱基位切开。

　　从而把复合物中的目标基因碱基对进行替换或插入。

　　RNA单链随即单独进行逆转录过程，将缺位填充完整。

　　此时整个基因编辑过程也就基本完成了。


发挥类似剪刀作用的Cas9酶

　　倘若这种定向改变基因的方法能够在现实中应用。

　　那么人类近六千种遗传病将有机会实现彻底治愈。

　　同时，通过剔除并修复植物体中的不利基因，便于让人们获得满意的食物。


患有一种叫斐弗综合征罕见遗传病的双胞胎与她们的曾祖母

　　基因编辑与传统的转基因在工作原理上具有极高的相似度。

　　最重要的差别就在于前者引入了CRISPR系统。

　　而后者则是将目的基因置入运载体中，在细胞内独立表达。

　　这点看似微小的差异，却造成了两者作用效果上的显著优劣势。


环状质粒常被用作转基因技术中的DNA载体

　　相对于传统基因技术直接导入外源基因的方法，CRISPR所做的修改则更加精细了。

　　它只对特定的几十个碱基对进行编辑替换。

　　因此减少了基因表达出现的危险隐患。

　　从而具有更高的精确度和效率。

　　而简易的实验操作使得时间和金钱成本也实现大幅度的降低。

　　仅需75美元的，数个小时就能完成一次实验。



　　把细菌的免疫系统机制直接拿来给其他生物使用。

　　这样大胆地设想在生物学界大概率是会碰壁的。

　　但30岁出头的张锋就恰恰有着不撞南墙心不死的勇气。

　　他证明了这套机制可以用于编辑培养小鼠细胞或人类细胞的基因组。

　　因此缔造了基因编辑的新纪元。


张锋是一名华人美国生物化学家。

　　他跟随母亲在美国长大，从小就展现出惊人的科学天赋。

　　18岁时获得了英特尔科学人才选拔赛的第三名。

　　要知道，这可是美国最悠久、最具盛名的科学竞赛。

　　入围决赛的选手中不少人在之后的科研生涯中继续获得诺贝尔奖、菲尔兹奖等著名奖项。

　　他先后在麻省理工学院、哈佛大学和斯坦福大学完成从本科到博士学位的攻读。


获得英特尔科学人才选拔赛第三名

　　2013年，张锋已经是布莱德研究所*的核心研究人员。

　　他的实验室专注于研究神经生物学领域。

　　三年前，他带领的团队开创了光遗传学领域的研究方法。

　　这被Nature杂志评为“2010年的年度方法”。

　　<em>*注：布莱德研究所是由麻省理工学院和哈佛大学的科学家最初共同创办的研究中心。</em>



　　从2011年初开始，他注意到CRISPR系统的内在潜力和广阔前景。

　　于是便着手尝试将这个机制应用于人体细胞中。

　　其实实验过程并不复杂：根据需求构建出产生突变的基因分子，再使用类似指南针、剪刀等功能的生物工具，就能完成编辑任务。

　　但将细菌免疫机制移植到人类中，这一步走了24年。

　　而张锋自然也是站在巨人的肩膀上摘下这颗诱人的果子。


这项成果让他获得许多国际大奖

　　其实早在1987年，日本科学家就在大肠杆菌中发现并命名了CRISPR序列。

　　在此之前，人们从来不知道细菌中竟然存在着免疫系统。

　　强大的对抗功能只引来一阵惊叹，却没有与人类细胞联系在一起。



　　直到2011年，珍妮弗?杜德娜与艾曼纽?卡朋特等人重新检视这项险些被遗忘的发现。

　　她们开始由原理性探索转向实用性探索。

　　从试管中的分子上证实了CRISPR/Cas9系统可以在设定的部位切割基因组。

　　这项研究让她们两人获得了科学突破奖。

　　这个奖项奖金可比诺贝尔奖的奖金高得多，堪称科学界巨奖之一。



　　既然CRISPR在体外也能正常发挥效用。

　　那么再将它导入细胞，是否也同样可行呢？

　　在疑虑与钻研夹杂的科学精神指引下，张锋开展了缜密的证明实验。

　　结果不出所料，生命科学领域又汇聚了一次不小的震撼。

　　而张锋也成功申请到相关的专利，拥有在除细菌外的任何生物中使用CRISPR的权利。


三人之间的专利争夺也闹得沸沸扬扬

　　此后关于CRISPR的研究也呈现出爆发性的增长。

　　2011年只有不足100篇的相关论文。

　　到了2014年数量暴增不止100倍，超过14000篇论文被发表。

　　在科学领域，火爆的研究虽然增大了学术之间的竞争。

　　但也推动了机制研发的成熟发展，从研究到临床的科研道路距离从而被大大缩短。



　　最终目的是希望应用于人体胚胎

　　2017年，有科学家在人类胚胎上使用这项技术，成功修复了遗传性的肥厚性心脏病。

　　此后，也有人运用在患有遗传性耳聋的小鼠身上，得到优异的缓解效果。

　　科学家们甚至表明，CRISPR可以将艾滋病毒从免疫细胞中分解出来，从而达到彻底治愈的功效。

　　而且从基因层面的解决手段，根除了细菌、病毒抗药性进化的问题。



　　然而，技术之所以还停留在研究层面，也就意味着仍有未攻克的难关。

　　Cas9酶是整个机制中最关键的要素，但也是经受最多顾虑的环节。

　　CRISPR具有精确修复基因的优势，全靠Cas9酶能特异性识别靶点。

　　但它的偶然失效，即“脱靶效应”将导致在意想不到的地方进行DNA编辑。

　　这在人体细胞中可能引发癌症，甚至产生新型疾病。



　　而基因编辑不仅修饰单个生物体的基因。

　　还可能引发整个物种基因型偏向改变的蝴蝶效应。

　　也就是导致“基因驱动”的可怕后果。

　　若被不合理地利用，造成的严重伦理问题将不堪想象。

　　因此各国仍然对这项技术持保守意见。



　　虽然对于最终运用于生命体本身，尤其是人类本身的科学技术，谨慎与安全是首要前提。

　　但欧盟把人为修改的基因编辑与转基因技术一概而谈是难以让学术界信服的。

　　人们需要给研究本身充足的时间，同时也需要具有正确看待其优劣的客观态度。