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文/黎方宇 羅驄 基因編輯又火了起來，從電影里的超能力到現(xiàn)實(shí)中復(fù)活猛犸象 屏幕里，壯碩的酒吧老板拿起電鋸割向自己的腹部，鋸齒沒能切開皮膚，反倒冒起煙來。 這是漫威超級(jí)英雄盧克·凱奇在Netflix的超級(jí)英雄電視劇里第一次展示自己的超能力。 根據(jù)同名劇中醫(yī)生的解釋，這是因?yàn)閯P奇被人用CRISPR基因編輯技術(shù)植入了鮑魚的基因。鮑魚殼因?yàn)閮?nèi)部蛋白質(zhì)和碳化鈣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組合，強(qiáng)度甚至比常用于防彈裝甲的高級(jí)陶瓷還硬。因此凱奇的皮膚變得刀槍不入。  超級(jí)英雄顯然不能當(dāng)真。但CRISPR基因編輯技術(shù)是真實(shí)存在的，而且最近很火。這是一種可以用外來基因片段準(zhǔn)確替換生物體內(nèi)自身基因組，從而改變生物本身的技術(shù)。 事實(shí)上，正式因?yàn)镃RIPSR最近的火熱，它才成了盧克·凱奇故事里的一部分。 盧克·凱奇是漫威在1972年打造的英雄。設(shè)定里，他的皮膚擁有刀槍不入的強(qiáng)度。在那個(gè)年代，沒有太多人去追究這個(gè)設(shè)定本身的科學(xué)根據(jù)。 但這兩年漫威和Netflix合作了一系列超級(jí)英雄電視劇，劇中的情節(jié)就加入了CRIPSR基因編輯技術(shù)的設(shè)定。 不只這一部。  2016年，重啟美劇《X檔案》的第十季中，CRISPR就化身為外星人的生物武器，可以敲除地球人的腺苷脫氨酶基因，從而破壞全體人類的免疫系統(tǒng)。 NBC甚至決定拍攝一部標(biāo)題直接叫做《C.R.I.S.P.R.》的生化題材驚悚片，由詹妮弗·洛佩茲出演。 這些都是比較臆想的科幻情節(jié)。比如《X檔案》的科學(xué)顧問、馬里蘭大學(xué)病毒學(xué)家Anne Simon自己就認(rèn)為這些情節(jié)不可能發(fā)生，CRISPR是有益的研究工具。 不過CRISPR也確實(shí)將一些科幻情節(jié)變成了現(xiàn)實(shí)。 早在1990年，著名科幻作家邁克爾·克萊頓（Michael Crichton，也是《西部世界》的作者，哈佛醫(yī)學(xué)院畢業(yè)）就在《侏羅紀(jì)公園》一書里寫過復(fù)活恐龍的可能。 在故事里，科學(xué)家從琥珀中提取了上古蚊子血液里的恐龍DNA，然后用現(xiàn)代青蛙的DNA片段補(bǔ)上不完整的部分，從而復(fù)活出恐龍。 那個(gè)故事給哈佛大學(xué)的遺傳學(xué)家George Church以啟發(fā)。這位科學(xué)家是合成生物學(xué)的先鋒，幫助啟動(dòng)了人類基因組計(jì)劃，也是CRISPR技術(shù)的先驅(qū)之一。他想復(fù)活猛犸象。 恐龍死了6500萬年，DNA沒法保存這么久。而猛犸象滅絕僅數(shù)千年，并且遺骸在西伯利亞的凍土層中保存良好，冰封的DNA仍有重新表達(dá)的機(jī)會(huì)。 但是猛犸象的細(xì)胞核已經(jīng)受損，所以Church利用CRISPR技術(shù)，將猛犸象的DNA編輯進(jìn)亞洲象的染色體中，再通過克隆技術(shù)培育出雜交胚胎，希望讓這個(gè)物種的某些性狀重見天日。 通過精確選擇和編輯猛犸象的DNA，Church團(tuán)隊(duì)兩年來編輯過的基因片段數(shù)量已經(jīng)由15增至45個(gè)。如果胚胎能發(fā)育成功，這種雜交種將擁有猛犸象的特征，如小耳朵、長毛發(fā)、更厚的皮下脂肪和適應(yīng)低溫的血液。 目前，Church團(tuán)隊(duì)完成了細(xì)胞培養(yǎng)，正在評(píng)估這些編輯的影響，朝著在實(shí)驗(yàn)室培育胚胎努力，并有望在兩年內(nèi)成功培養(yǎng)出胚胎。 但要培育出真正的個(gè)體，還有著數(shù)年的距離。因?yàn)樗麄儾⒉淮蛩阏心寄竵喼尴髞泶小hurch團(tuán)隊(duì)不想把瀕危物種的雌性個(gè)體置于危險(xiǎn)的境地，他們計(jì)劃建造一個(gè)巨大的人工子宮。很多人認(rèn)為，這一計(jì)劃在10年間無法實(shí)現(xiàn)。 不過不管是5年還是15年，僅僅這件事從理論上可行，并且科研團(tuán)隊(duì)在一步一步推進(jìn)中就已經(jīng)讓人興奮。當(dāng)克萊頓寫《侏羅紀(jì)公園》的時(shí)候，那看上去還完全是一個(gè)幻想。 依據(jù)這件事寫成的書《毛茸茸：復(fù)活史上滅絕偶“象”之最路上的真實(shí)故事》的電影改編版權(quán)賣給了?？怂?，而Church聽說電影的預(yù)算是8000萬美元。 除了Church，加州大學(xué)圣克魯茲分校的Ben Novak也希望利用博物館里的標(biāo)本復(fù)活19世紀(jì)末滅絕的旅鴿。他相信如果沒有CRISPR技術(shù)，復(fù)活已滅絕的生物只是美好的幻想。 關(guān)于編輯基因還有一些別的插曲，比如號(hào)稱可以挑戰(zhàn)CRISPR的中國韓春雨團(tuán)隊(duì)發(fā)布的NgAgo基因編輯技術(shù)因?yàn)楦鞯貙?shí)驗(yàn)室都無法重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，最終作者主動(dòng)申請(qǐng)撤回了論文。 所以CRISPR到底是怎么回事，科學(xué)家和商業(yè)公司們又在用它做什么？ 三分鐘知道CRISPR是怎么回事 基因編輯存在已久，其實(shí)傳統(tǒng)的雜交育種就是早期對(duì)基因的人工改造，比如袁隆平1977培育出穗大粒多的“南優(yōu)2號(hào)”雜交水稻。 更早的還有寵物狗，很多品種都是通過雜交誕生的。你也可以認(rèn)為這是一種基因編輯。  但無論是水稻還是雜交狗，由于沒有借助現(xiàn)代分子生物學(xué)的手段，無法精細(xì)地修飾基因，結(jié)果非常不可控。 而1980年開始興起的轉(zhuǎn)基因能夠做到這一點(diǎn)。將目的基因與載體分子結(jié)合為重組DNA分子，利用農(nóng)桿菌或基因槍注入到受體細(xì)胞后大量增殖，再篩選出具有重組DNA分子的重組細(xì)胞，以此導(dǎo)入外來的基因。這種方法用比較粗糙的方法以外部片段修飾目標(biāo)基因，比較隨機(jī)，也不夠準(zhǔn)確。 CRISPR則可以做到精確編輯任何生物、任何細(xì)胞里的DNA。 CRISPR是一個(gè)縮略詞，指的是細(xì)菌細(xì)胞中“規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）。 簡單地說，它是一個(gè)DNA序列，是一段基因記憶，是細(xì)菌在長年對(duì)抗病毒入侵時(shí)積累的血肉長城，重復(fù)的序列就是蜿蜒的城墻。 就像人體的免疫系統(tǒng)，能夠提取入侵細(xì)菌或病毒的特征，并呈遞給免疫細(xì)胞讓它形成記憶，從而當(dāng)病原二次入侵時(shí)能及時(shí)識(shí)別消滅。 細(xì)菌在世世代代與病毒的抗?fàn)幹校策M(jìn)化出了這種簡易而精確的免疫功能。過往的病毒將基因重復(fù)遺留在細(xì)菌的DNA鏈上，形成細(xì)菌的“記憶”，在病毒再次入侵時(shí)，指引酶等工具來消滅它。 具體來說，病毒感染細(xì)菌時(shí)，會(huì)把自己的遺傳物質(zhì)嵌入到宿主細(xì)胞的DNA上，深入內(nèi)部反客為主，利用宿主細(xì)胞為自己服務(wù)。細(xì)菌則進(jìn)化出了CRISPR這一免疫武器，它是之前的病毒感染痕跡的留存，也是病毒基因特征的記錄。 等到病毒再次入侵并嵌入基因時(shí)，CRISPR就能憑借此前的記錄，引導(dǎo)相關(guān)的蛋白（CRISPR associated，Cas）把外來的基因切除掉，從而解決掉入侵的病毒。 科學(xué)家們利用了CRISPR精準(zhǔn)切割的這個(gè)特性，對(duì)它重新編程，使之能切割任何生物的任何DNA，達(dá)到人為編輯基因的目的，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新性狀。 在CRISPR之前，學(xué)術(shù)界廣泛應(yīng)用的是基因打靶、鋅指核酸內(nèi)切酶（ZFN）和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALEN），它們都是與轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的核酸酶。比起它們，CRISPR技術(shù)成本低廉、操作方便、效率高、可以同時(shí)編輯不同的位點(diǎn)，一次頂過去五次。 以應(yīng)用最廣泛的CRISPR/Cas9為例，想象基因是由很多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成兩條雙螺旋的鏈條，而編輯只需要用到兩個(gè)工具——向?qū)NA（guide RNA，gRNA）和Cas9蛋白。  Cas9蛋白像一把剪刀，通常從基因節(jié)點(diǎn)，也被稱為堿基NGG（N代表任意堿基）的地方剪斷基因。 隨后，人工設(shè)計(jì)的向?qū)NA會(huì)將DNA雙螺旋解開，配對(duì)到其中一條，Cas9蛋白再出手在刀口處剪斷。隨后DNA會(huì)開啟自動(dòng)修復(fù)機(jī)制，將剪斷的兩端連接起來，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的敲除或替換。 雖然操作和效率都得到了提升，但CRISPR技術(shù)可能存在的問題就是，向?qū)NA不一定每次都能準(zhǔn)確匹配被剪短的基因。在DNA損傷修復(fù)的時(shí)候也可能出現(xiàn)意外， 就像是一列沒有被鐵軌合理引導(dǎo)的出軌火車，隨時(shí)會(huì)導(dǎo)致基因組產(chǎn)生未知的突變，這被稱為脫靶效應(yīng)。 隨著科學(xué)家們對(duì)CRISPR/Cas系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，脫靶率正在不斷降低。 CRISPR背后還有一個(gè)專利戰(zhàn)  2012年以來，CRISPR技術(shù)掀起了一陣學(xué)術(shù)界的淘金熱。在Google學(xué)術(shù)上，CRISPR Cas9相關(guān)的文獻(xiàn)已經(jīng)超過51700篇。 大潮之前的圖景則略顯單薄。1987年，日本微生物學(xué)家石野良純最早在大腸桿菌的DNA中發(fā)現(xiàn)了間隔重復(fù)的回文結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的人們對(duì)此一無所知，也沒有引起太大的重視。 1990年代，科學(xué)家們多次在細(xì)菌的基因組中發(fā)現(xiàn)這種重復(fù)的序列，其中包括荷蘭烏得勒支大學(xué)的Ruud Jansen和西班牙阿利坎特大學(xué)的Francisco Mojica，二人在通信中提出將它命名為CRISPR，并在2002年用于出版物中。2005年，三個(gè)研究組同時(shí)發(fā)現(xiàn)這種序列和侵染細(xì)菌的病毒的基因非常相似，從而推測它可能是抵抗入侵的某種機(jī)理。 2007年，美國奶制品公司Danisco的科學(xué)家在《科學(xué)》上發(fā)文，以工業(yè)上生產(chǎn)酸奶的嗜熱鏈球菌為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究者發(fā)現(xiàn)對(duì)病毒有抗性和敏感的兩種鏈球菌在CRISPR序列中存在差異，于是他們?cè)黾雍颓贸诉@部分序列，發(fā)現(xiàn)噬熱鏈球菌對(duì)病毒的敏感性發(fā)生了改變。 在一些基礎(chǔ)性的研究之后，CRISPR/Cas9作為基因編輯技術(shù)隆重登場，同時(shí)也為一場曠日持久的專利之戰(zhàn)埋下伏筆。故事將主要圍繞以下三個(gè)人展開：
 2012年8月，Doudna、Charpentier和同事們?cè)凇犊茖W(xué)》上發(fā)表論文，首次將細(xì)菌的免疫機(jī)制變成了可編程的切割工具，用CRISPR/Cas9精確切割了質(zhì)粒和雙鏈DNA。她們切割的是細(xì)菌的DNA片段，并為此提交了專利，表明她們發(fā)現(xiàn)的這一切割系統(tǒng)可以作為任何類型細(xì)胞的基因編輯工具。 這項(xiàng)研究引起了學(xué)術(shù)界的廣泛注意。同年12月，張鋒將這項(xiàng)技術(shù)用于小鼠和人類的真核細(xì)胞，證明這項(xiàng)技術(shù)在復(fù)雜細(xì)胞中的可行性。他也為此提交了專利，權(quán)限包括在任何由細(xì)胞核的物種中使用CRISPR。不僅如此，他還要求加速審查，通過繳納費(fèi)用走了綠色通道。2013年2月，論文在《科學(xué)》上發(fā)表。 與此同時(shí)，大家開始關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)的脫靶效應(yīng)。初始的嘗試總是不太完美，當(dāng)時(shí)的一系列研究表明，脫靶效應(yīng)廣泛存在。半年后，張鋒在《細(xì)胞》上發(fā)表論文，提出了利用兩個(gè)向?qū)NA增強(qiáng)準(zhǔn)確性的方法Double Nick，大大減少了脫靶現(xiàn)象，也進(jìn)一步完善了這項(xiàng)技術(shù)。 2014年，美國專利商標(biāo)局將技術(shù)專利賦予張鋒，加州大學(xué)要求發(fā)起抵觸審查程序（Interference proceeding），專利爭奪戰(zhàn)隨之拉開序幕。這次審查于去年1月開始，根據(jù)2012年美國專利法先發(fā)明者得專利的排隊(duì)規(guī)則，雙方各自提交了數(shù)百頁文件，證明自己一方在時(shí)間上領(lǐng)先。 這項(xiàng)專利歸屬的爭議在于：Doudna的專利主要用于簡單生物體的DNA編輯，而Broad研究所申請(qǐng)的是真核細(xì)胞中的基因編輯，將前者的常規(guī)方法應(yīng)用于高級(jí)細(xì)胞，究竟是不是一項(xiàng)創(chuàng)新。 并且，在Doudna和Charpentier的論文發(fā)表后，先后有許多實(shí)驗(yàn)室都依據(jù)文中的方法實(shí)現(xiàn)了真核生物中的基因編輯，Doudna的團(tuán)隊(duì)隨后也發(fā)表了人類細(xì)胞中的編輯成果。 去年12月，加州大學(xué)和博德研究所在美國商標(biāo)局參加了唯一一次口頭辯論。2月，美國商標(biāo)局作出裁定，張鋒所在的博德研究所保留2014年所獲得的專利權(quán)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)并不存在沖突。為此加州大學(xué)4月向聯(lián)邦法院提起了上訴。 這場紛爭也有一些有趣的插曲。2016年，《細(xì)胞》發(fā)表了博德研究所生物學(xué)家Eric S. Lander的文章《CRISPR英雄譜》，文中回溯了這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)歷史，但在關(guān)鍵的基因編輯部分強(qiáng)調(diào)了張鋒的成果，對(duì)Doudna和Charpentier的貢獻(xiàn)所提不多。二人分別在評(píng)論區(qū)回應(yīng)，作者并未將論文交給她們檢查，也未征得她們的同意，Lander也因此遭到了很多批評(píng)。 這場戰(zhàn)爭并不僅僅是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的爭奪。在歐洲，包括伯克利分校和Broad研究所的6家機(jī)構(gòu)在早期向歐洲專利局提交了CRISPR的專利申請(qǐng)。根據(jù)專利代理人的看法，在歐洲很可能不會(huì)出現(xiàn)“贏家通吃”的情況，而是6家機(jī)構(gòu)的權(quán)利會(huì)相互重疊。7月27日，歐洲專利局表示，將授予默克子公司Millipore Sigma真核細(xì)胞中的CRISPR編輯專利。 但中國似乎站在加州大學(xué)這邊。今年6月，Doudna創(chuàng)立的Intellia Therapeutics和Charpentier創(chuàng)立的CRISPR Therapeutics公司相繼發(fā)布消息稱，其已經(jīng)獲得中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予的CRISPR基因編輯技術(shù)上的專利。 學(xué)術(shù)界也更偏向Doudna和Charpentier，張鋒憑借這項(xiàng)技術(shù)獲得的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，許多都是同她們共享，比如2016年的蓋爾德納獎(jiǎng)和2017年的阿爾伯尼生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。而Doudna和Charpentier除了獲得2015年的生命科學(xué)突破獎(jiǎng)外，還攜手入選《時(shí)代》雜志2015年度影響百人，以及今年的日本國際獎(jiǎng)等。 最新的進(jìn)展是，上周Doudna團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完善了這項(xiàng)技術(shù)，研究組在《細(xì)胞》上發(fā)文，宣布發(fā)現(xiàn)了CRISPR的“停止鍵”，可以控制編輯過程的結(jié)束。此前，只能等待這一過程自然結(jié)束。 CRISPR/Cas9系統(tǒng)的專利之爭仍將繼續(xù)，但它正在徹底改變基礎(chǔ)研究、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)。 想復(fù)活猛犸象的人，還把照片存進(jìn)了DNA  除了通過基因編輯復(fù)活猛犸象，George Church最近的另一項(xiàng)研究是用CRISPR技術(shù)把一張GIF圖存進(jìn)了大腸桿菌的DNA里。 使用DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不是新聞，5年前就有團(tuán)隊(duì)在DNA中存儲(chǔ)文字和圖片。作為新興的存儲(chǔ)介質(zhì)，它存儲(chǔ)密度巨大，1克DNA可存數(shù)億GB數(shù)據(jù)；儲(chǔ)存年限久遠(yuǎn)，妥善保存可數(shù)萬年，并且測序就能讀取。缺點(diǎn)則是目前合成DNA的成本太高，且不能隨時(shí)存取。 但在此前的研究中，存儲(chǔ)的介質(zhì)都是人工合成DNA的片段，而不是活細(xì)胞中的DNA。研究團(tuán)隊(duì)這次把一張手掌的照片和一段策馬奔騰的動(dòng)態(tài)圖片編碼成DNA片段，借助CRISPR技術(shù)剪切到大腸桿菌的基因當(dāng)中，在數(shù)代繁衍后重新讀取DNA片段，圖像的還原度達(dá)到了90%。  論文的作者之一、哈佛醫(yī)學(xué)院合成生物學(xué)家Seth Shipman想要研究大腦發(fā)育的過程，這個(gè)過程中會(huì)有一系列生化反應(yīng)在細(xì)胞中發(fā)生，但很難明確地記錄下來。而這項(xiàng)研究證明了CRISPR技術(shù)在大腸桿菌上的應(yīng)用，真正的目標(biāo)是讓細(xì)胞變成記錄儀，可以收集各種分子信息并存儲(chǔ)在DNA當(dāng)中，以便之后查閱在發(fā)育中的作用。這個(gè)概念被稱為“分子紙條”，正是George Church的點(diǎn)子。 合成生物學(xué)的另一個(gè)課題是人造生命體?？茖W(xué)家們一直在研究怎樣才能人工合成細(xì)胞——按照人為編碼，細(xì)胞可以按需合成出各種各樣的藥物。美國遺傳學(xué)家Craig Venter在2010年將合成的基因組引入去掉基因的宿主細(xì)胞，結(jié)果是宿主可以連續(xù)復(fù)制。 來自Scripps研究所的研究團(tuán)隊(duì)則分別在2014年和今年創(chuàng)造了半合成的生物體，今年他們利用CRISPR-Cas9技術(shù)強(qiáng)化了三年前的版本，去掉了排斥非天然堿基的基因，這將允許他們?cè)诤铣蒁NA中任意添加想要的基因片段，這為蛋白質(zhì)的按需定制奠定了基礎(chǔ)。 當(dāng)然，如果你想做一名生物駭客（Biohacker），也可以自己在家體驗(yàn)一下簡單的CRISPR實(shí)驗(yàn)。曾在NASA工作過的合成生物學(xué)家Josiah Zayner想要培養(yǎng)更多的生物駭客，因此創(chuàng)立了ODIN售賣一些簡單的生物DIY工具包，其中就包括CRISPR套件。  當(dāng)然，這個(gè)套件只是一個(gè)新手教學(xué)包——普通的大腸桿菌在涂有鏈霉素的瓊脂板上會(huì)被殺死，你按照說明，用CRISPR敲除大腸桿菌與鏈霉素結(jié)合的基因，再把改造后的大腸桿菌放在鏈霉素瓊脂板上，就能觀察到它在性命攸關(guān)的環(huán)境中生存了下來。 所以你沒法用這個(gè)159美元的套件來強(qiáng)化自己的皮膚。事實(shí)上，這是對(duì)DIY生物學(xué)家能力的高估。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，需要用到專業(yè)的大型設(shè)備，由于DIY實(shí)驗(yàn)室的限制，業(yè)余愛好者只有在需要對(duì)基因作精確改變時(shí)才會(huì)去當(dāng)?shù)卮髮W(xué)實(shí)驗(yàn)室使用CRISPR。 Zayner表示，他所使用的細(xì)菌被認(rèn)為是安全的，并不比皮膚上的細(xì)菌有害。但對(duì)于DIY CRISPR最大的擔(dān)憂，則是將修飾過的基因傳播到自然界。對(duì)此，加州的一名環(huán)境律師和生物駭客Dan Wright認(rèn)為，這也十分困難，超出了大多數(shù)業(yè)余愛好者的能力。畢竟這個(gè)操作需要將改造后動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)成個(gè)體，這比養(yǎng)細(xì)菌要復(fù)雜得多。 糖尿病、癌癥治療已經(jīng)在日程上，但大多在非常早期  理論上，只要找到和疾病相關(guān)的基因，用CRISPR-Cas9編輯去掉致病的因素，就可以治療基因缺陷方面的疾病。科學(xué)家們憑此展開了各種各樣的設(shè)想與嘗試。 最有希望的應(yīng)用是單基因疾病的治療，如囊性纖維化、鐮狀細(xì)胞性貧血和肌營養(yǎng)不良癥。它看上去挑戰(zhàn)最?。盒薷娜祟惢蚪M30億基因片段里的1段。 例如，鐮狀細(xì)胞性貧血是由血紅蛋白基因缺陷引起的，一個(gè)氨基酸的差異導(dǎo)致正常的血紅蛋白無法形成。 一個(gè)設(shè)想是，利用CRISPR技術(shù)將抽出的血液編輯基因，再重新輸回身體，就能產(chǎn)生正常的血紅蛋白。 但這種做法也不是一勞永逸，鐮狀細(xì)胞基因已知可以預(yù)防瘧疾，如果切掉了這段基因就失去了天然的防護(hù)。為此，張鋒創(chuàng)立、獲得蓋茨基金會(huì)投資的Editas公司正在解決這個(gè)問題。 類似的，如果能夠去掉編碼疾病相關(guān)蛋白的基因，就能中止致病蛋白的合成。 已經(jīng)展開的研究有舞蹈病、帕金森和漸凍癥等。糖尿病的潛在治療策略也類似，對(duì)2型糖尿病，去年隆德大學(xué)的一項(xiàng)研究關(guān)掉了大鼠體內(nèi)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的合成，從而增加胰島素的產(chǎn)生。 1型糖尿病的策略腦洞更大，今年8月芝加哥大學(xué)的一項(xiàng)研究中，研究人員把基因編輯后的表皮干細(xì)胞貼在小鼠的皮膚上，然后大量喂食，人造皮膚分泌的激素GLP-1會(huì)促進(jìn)胰島素的分泌，從而免去了肥胖小鼠自己打胰島素的煩惱。 癌細(xì)胞的應(yīng)對(duì)策略也類似。去年6月，賓夕法尼亞大學(xué)改造T細(xì)胞并灌注回患者體內(nèi)，讓它能靶向攻擊骨髓瘤、黑色素瘤和肉瘤，并申請(qǐng)了人體實(shí)驗(yàn)。還有一些研究則瞄準(zhǔn)了癌細(xì)胞的弱點(diǎn)，利用CRISPR快速診斷并切掉癌癥突變，并用來完善個(gè)體化療法。 除了修復(fù)內(nèi)在的缺陷，CRISPR技術(shù)還可以應(yīng)對(duì)外來的威脅。切掉逆轉(zhuǎn)錄病毒的遺傳物質(zhì)，如乙肝病毒、艾滋病病毒等。逆轉(zhuǎn)錄病毒感染細(xì)胞時(shí)，會(huì)將自己的遺傳片段整合進(jìn)宿主的DNA，再利用宿主細(xì)胞復(fù)制繁衍。因?yàn)樗鼈儾啬湓诩?xì)胞核中，目前通常只能用藥物抑制它的復(fù)制，讓它的遺傳片段保持休眠。 基因編輯技術(shù)則讓人看到了將它從基因中切掉的曙光。已經(jīng)有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了靶向乙肝病毒基因片段的向?qū)NA，并在細(xì)胞培養(yǎng)和小鼠身上做了測試，實(shí)驗(yàn)均表明乙肝病毒的復(fù)制和藏匿都受到了破壞，是根除乙肝有潛力的治療方法。 艾滋病方面的研究也有諸多突破。有的團(tuán)隊(duì)用這項(xiàng)技術(shù)改造免疫防線T細(xì)胞，去掉了T細(xì)胞表面結(jié)合HIV的CCR5受體，想讓病毒走投無路，無法進(jìn)入T細(xì)胞破壞免疫系統(tǒng)，從而獲取對(duì)它的免疫力；有的團(tuán)隊(duì)利用它切除在細(xì)胞核中藏匿的HIV基因片段，最新的進(jìn)展是，5月的一項(xiàng)研究稱，天普大學(xué)和匹茲堡大學(xué)的研究人員第一次在活體動(dòng)物的基因組中清除了HIV的DNA，從而將它在小鼠體內(nèi)徹底消滅。 這意味著這種治療策略具有清除藏匿DNA的潛力，團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃在靈長類動(dòng)物中重復(fù)這一研究。 這項(xiàng)技術(shù)并不僅限于重大的疾病，也可以用在很日常的地方。今年4月，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用它對(duì)抗耐藥菌，他們打算改造一種病毒，為它添加定制的CRISPR相關(guān)的序列，感染人體內(nèi)的細(xì)菌，從而誤導(dǎo)細(xì)菌開啟自毀程序，讓它死在自己的剪下。  4月的另一項(xiàng)研究則提出了一項(xiàng)非常便宜的感染快速診斷方法，這個(gè)名為SHERLOCK的工具在監(jiān)測到特定病毒或細(xì)菌的遺傳序列后，就會(huì)切割RNA從而釋放熒光信號(hào)，達(dá)到快速指示的目的。這個(gè)測試的成本只有61美分，比顯微鏡觀察和組織液培養(yǎng)便宜得多。 對(duì)于蚊蟲叮咬導(dǎo)致的萊姆病和瘧疾，也有研究提出這種方法也許可以降低感染率。 CRISPR技術(shù)還有可能解決器官移植的問題。本月《科學(xué)》上的一項(xiàng)研究為這種方案提供了可能性，一家名為eGenesis的公司利用這項(xiàng)技術(shù)，剪去了豬身上的病毒基因，從而消除了豬器官中很大的安全隱患，為此后的移植奠定了基礎(chǔ)。 只不過，以上提到的研究都處于非?；A(chǔ)的階段，在體外細(xì)胞和小鼠中有效并不意味著這些疾病從此有藥可醫(yī)，中途還需要經(jīng)過漫長的重復(fù)驗(yàn)證和三期臨床試驗(yàn)。 這些研究中，進(jìn)展比較快的已經(jīng)開始了臨床試驗(yàn)。其中最早的是去年10月四川大學(xué)華西醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)家盧鈾在晚期非小細(xì)胞肺癌患者身上的實(shí)驗(yàn)，10名患者接受了編輯過的免疫細(xì)胞的注射。團(tuán)隊(duì)希望，對(duì)于化療、放療和其它手段均無效的患者，敲除PD-1基因的免疫細(xì)胞可以恢復(fù)對(duì)腫瘤細(xì)胞的攻擊能力。目前實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行當(dāng)中。 4月28日，南京大學(xué)魏嘉團(tuán)隊(duì)在鼓樓醫(yī)院第二個(gè)開啟了在鼻咽癌患者身上的人體實(shí)驗(yàn)。根據(jù)臨床試驗(yàn)注冊(cè)表，中國正計(jì)劃多項(xiàng)敲除PD-1相關(guān)的癌癥臨床試驗(yàn)，包括乳腺癌，前列腺癌，膀胱癌，食管癌，腎癌，結(jié)腸直腸癌等。 賓夕法尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也在做類似的工作，他們希望招募到18名骨髓瘤、肉瘤和黑色素瘤的患者，并改造他們的免疫細(xì)胞，方法和盧鈾團(tuán)隊(duì)相同。這個(gè)項(xiàng)目由Sean Parker贊助，也獲得了美國國立衛(wèi)生研究院的批準(zhǔn)，如果能獲得美國藥監(jiān)局的批準(zhǔn)，臨床試驗(yàn)有望于今年開始。 除了癌癥之外，關(guān)于失明的一項(xiàng)研究也正在計(jì)劃申請(qǐng)人體實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)研究由Editas公司開展，治療Leber先天性黑內(nèi)障導(dǎo)致的失明。但根據(jù)公司的說法，由于制造商的延誤，實(shí)驗(yàn)將推遲到明年中期。 另一項(xiàng)針對(duì)HPV的臨床試驗(yàn)則可能改變研究者們的思路。中山大學(xué)的這項(xiàng)研究沒有在體外編輯細(xì)胞，而是直接將含有CRISPR編碼的DNA凝膠應(yīng)用到體內(nèi)，從而破壞病毒的基因。 不過值得注意的是，CRISPR技術(shù)只是基因編輯技術(shù)的一種新工具，用之前的工具編輯基因的療法早已進(jìn)入臨床，并已經(jīng)挽救了兩名患兒的生命。 而應(yīng)用CRISPR技術(shù)的臨床試驗(yàn)，結(jié)果還有待時(shí)間來揭曉。 目前提到的這些治療技術(shù)，除了中國正計(jì)劃的多項(xiàng)癌癥臨床試驗(yàn)外，其它基本都還在非常早期階段。 基因編輯后的食物可以不打“轉(zhuǎn)基因”的標(biāo)志 1946年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)DNA可以在生物間轉(zhuǎn)運(yùn)。直接植入抗體基因讓農(nóng)作物自帶抵抗害蟲的轉(zhuǎn)基因技術(shù)極大的提升了農(nóng)作物的產(chǎn)量。 問題在于人類長期使用添加了新增基因，是否會(huì)產(chǎn)生不良的影響？這種擔(dān)憂讓監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求轉(zhuǎn)基因食物必須明確標(biāo)注是被基因改造過的。 美國生物科技公司AquaBounty培育出來的轉(zhuǎn)基因三文魚，被美國食品安全局FDA強(qiáng)制要求標(biāo)注轉(zhuǎn)基因才能銷售。由于擔(dān)心消費(fèi)者對(duì)于轉(zhuǎn)基因食物的擔(dān)憂導(dǎo)致三文魚賣不出去，AquaBounty公司選擇不在美國出售，只在加拿大出售三文魚，在加拿大，轉(zhuǎn)基因食物不用特別標(biāo)注。 但如果不新增基因，只是刪除掉不好的基因片段來改造農(nóng)作物，這可能就不用標(biāo)上轉(zhuǎn)基因標(biāo)示了。 無論在中餐還是西餐中，白蘑菇都是一道重要的食材。不過，白蘑菇最好是現(xiàn)買現(xiàn)做，如果在冰箱中放上兩天，它就會(huì)變成褐色，并且黏糊糊的。 實(shí)際上，白蘑菇褐變是由一種叫多酚氧化酶（PPO）引起的。于是，賓夕法尼亞大學(xué)教授楊亦農(nóng)和他的團(tuán)隊(duì)利用CRISPR基因編輯技術(shù)，敲除了6個(gè)氧化酶編碼基因中的1個(gè)，將酶活性降低了30%，從而延緩白蘑菇褐變，好處顯而易見，至少你可以在冰箱里多放幾天白蘑菇。 2016年4月，美國農(nóng)業(yè)部表示，它不會(huì)對(duì)CRISPR基因編輯過的白蘑菇進(jìn)行監(jiān)管。 關(guān)鍵就在于通過CRISPR這種能精確定位基因片段的技術(shù)來刪除氧化酶編碼基因片段，并不會(huì)使用來自病毒或細(xì)菌的外來基因，所以并不會(huì)對(duì)周圍農(nóng)作物產(chǎn)生任何可能的危害。 吃上這種白蘑菇可能還有段時(shí)間，雖然農(nóng)業(yè)部明確表示不會(huì)監(jiān)管由CRISPR基因編輯過的各種農(nóng)作物，但美國食品安全局FDA還需要時(shí)間來確定是否能安全食用，以及是否需要像轉(zhuǎn)基因食物那樣明確標(biāo)注出來。 但至少從原理上，僅僅是刪除掉不良基因的食物可能更容易讓監(jiān)管部門接受。 不單單在農(nóng)作物上，對(duì)于動(dòng)物來說，CRISPR基因編輯也能做很多事情。 母牛天生沒有角嗎？ 恐怕很多人都不知道這個(gè)問題的答案。實(shí)際上，母牛是在很小的時(shí)候被人為去掉犄角，避免母牛用鋒利的牛角來攻擊。 普遍的方法是在母牛很小的時(shí)候用電烙鐵燒去角質(zhì)部位。但這種常見的方法對(duì)母牛的年齡要求很高，一般在出生一個(gè)月以內(nèi)完成，過早或者過晚都會(huì)容易造成母牛的疾病甚至死亡。 CRISPR基因編輯的特點(diǎn)，就是在于可以精確控制基因信息。通過基因編輯培育出沒有犄角的牛，已經(jīng)出現(xiàn)在加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的研究室里。 定位并刪除牛角生長的關(guān)鍵基因，再培育出正常生長過程中不會(huì)長角的牛。這樣的模式并不僅限于對(duì)于牛角的改造，從動(dòng)物傳染疾病到優(yōu)化動(dòng)物肉質(zhì)口感的實(shí)驗(yàn)都取得一定的進(jìn)展，基因編輯正在實(shí)現(xiàn)更多的可能。 基因編輯農(nóng)作物在視覺上不會(huì)造成太多的爭議，但沒有角的公牛或者由于修改基因?qū)е鲁霈F(xiàn)體型巨大的肉雞是否會(huì)在心理上讓消費(fèi)者難以接受。 這又是另一個(gè)問題了。 種族滅絕，已經(jīng)從蚊子擴(kuò)展到亞洲鯉魚 既然可以復(fù)活消失的物種，基因編輯某種程度上也可以用來滅絕某些物種。 像那些在夏天讓你非常討厭的蚊子。 登革熱、瘧疾、寨卡病毒，蚊蟲由于吸食血液而極其容易讓人類感染各種危及生命的病毒。 而雌蚊在產(chǎn)卵之后，2到3天就能孵化出下一代蚊子。在雨林或者潮濕的熱帶地區(qū)，蚊蟲可以快速大量的繁殖，普通依靠藥物殺滅蚊蟲的方法無法抑制疾病的傳播。 2016年寨卡病毒被蚊蟲快速傳播到全世界，短短一年時(shí)間，巴西已經(jīng)有將近4000例感染病毒的新生嬰兒。 比起噴灑藥物滅蚊，CRISPR基因編輯可以從最根本的繁衍上消滅蚊蟲。 美國密蘇里大學(xué)的研究人員通過CRISPR基因編輯對(duì)25712條幼蟲進(jìn)行了基因片段的插入。這種片段可以使蚊子的眼睛在熒光燈下發(fā)出紅光。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果成功在幼蟲眼睛里檢測出紅光。 這說明被修改的基因片段確實(shí)可以影響蚊蟲，讓免疫病毒或者徹底刪除蚊蟲繁殖能力的可能進(jìn)一步提高。 而CRISPR基因編輯也不單單能消滅攜帶病毒的害蟲，大量繁殖而影響生態(tài)的生物也可以用基因修改來改變繁殖的情況。 在美國各條河道大肆入侵的亞洲鯉魚就是最好的例子。 比起被調(diào)侃說，給我們簽證和飛機(jī)票就能吃光鯉魚的解決辦法，用CRISPR基因編輯來解決鯉魚泛濫更加靠譜。 美國多家機(jī)構(gòu)正在研究通過植入基因片段來驅(qū)動(dòng)亞洲鯉魚只能繁衍出雄性，來減少泛濫的情況。 比起復(fù)活生物，在消滅物種上，基因編輯的效率可能更高。 為防止電影里的災(zāi)難，基因編輯也有“自殺開關(guān)” 被基因改造過的生物從實(shí)驗(yàn)室逃走引發(fā)一系列的災(zāi)難，是好萊塢電影最常見的情節(jié)之一。 用技術(shù)改造基因會(huì)不會(huì)產(chǎn)生變異的生物，不僅僅是電影編劇的擔(dān)憂，至少科學(xué)家已經(jīng)在考慮如何控制基因編輯導(dǎo)致可能的危害。 為了預(yù)防實(shí)驗(yàn)室中被修改過基因的細(xì)菌“逃逸”。今年2月，麻省理工學(xué)院的研究人員利用CRISPR基因編輯開發(fā)了一種可以讓細(xì)菌自我毀滅的“自殺片段”。 細(xì)菌被植入了這種基因片段后，它將不得不依賴實(shí)驗(yàn)室中培育細(xì)菌的環(huán)境。一旦離開了實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，自殺基因片段就會(huì)被誘發(fā)，從而刪除細(xì)菌內(nèi)特定的基因，讓細(xì)菌快速死亡。 在試驗(yàn)中，大腸桿菌被植入一種名為DNAi的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)分為兩塊組成部分，一種是通過CRISPR技術(shù)編輯過，可以準(zhǔn)確定位細(xì)菌核心基因的片段，和另一種會(huì)被阿拉伯糖分子誘發(fā)，負(fù)責(zé)切除核心基因的Cas9酶組成。 測試中，在大腸桿菌接觸到阿拉伯糖分子僅僅15分鐘之后，99%的細(xì)菌都被殺死。 對(duì)于麻省理工學(xué)院的生物教授克里斯托弗·沃格特（Christopher Voigt）來說，這種技術(shù)不單單意味著可以誘發(fā)離開實(shí)驗(yàn)室的細(xì)菌快速死亡，還可以保護(hù)一些機(jī)密研究成果不會(huì)被泄露。 利用CRISPR基因編輯控制細(xì)菌存活可以實(shí)現(xiàn)的作用有很多，至少我們不用擔(dān)心未來真的要面臨電影情節(jié)那樣的考驗(yàn)了。 關(guān)于人體改造監(jiān)管，禁止制造“完美”嬰兒是底線 從優(yōu)化農(nóng)作物，到解決遺傳疾病，一方面，基因編輯技術(shù)的巨大潛力確實(shí)極具誘惑，至少科學(xué)家給我們描繪了一個(gè)無疾病、無饑餓、無污染和人人長壽的未來新世界。 哈佛和麻省理工的研究人員正在實(shí)驗(yàn)用CRISPR技術(shù)切除肥胖基因，從而促進(jìn)脂肪的燃燒。 約翰·霍普金斯大學(xué)的團(tuán)隊(duì)也正在尋找和精神分裂、雙相情感障礙及抑郁癥相關(guān)的基因。 麻省總醫(yī)院則在開發(fā)基于CRISPR的阿茲海默癥的治療方法。甚至有科學(xué)家正在努力尋找和衰老相關(guān)的基因，并試著敲除它們，以追求長壽的秘密。 但另一方面，人類胚胎基因編輯在技術(shù)和倫理上引發(fā)了激烈的爭論。 目前有許多國家通過法律來明確禁止人類胚胎細(xì)胞基因編輯，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）明確表示禁止對(duì)人類胚胎進(jìn)行任何形式的基因編輯研究。 去年，美國華裔醫(yī)生張進(jìn)在墨西哥幫助一對(duì)攜帶萊氏綜合癥基因的約旦夫婦誕下?lián)碛懈赣H、母親及捐贈(zèng)者3人基因的健康嬰兒。 萊氏綜合征是一種遺傳疾病，會(huì)導(dǎo)致新生嬰兒無法正常發(fā)育。張進(jìn)通過把母親的卵細(xì)胞核移植進(jìn)入捐贈(zèng)者已經(jīng)先去除細(xì)胞核的健康卵子中，然后再植回母親的子宮中。 雖然這種移植技術(shù)僅僅只是略微涉及到基因編輯的范圍，遠(yuǎn)不像CRISPR技術(shù)那樣對(duì)基因進(jìn)行直接編輯，但美國食品與藥物管理局（FDA）還是向張進(jìn)發(fā)送了一封措辭強(qiáng)硬的警告信。 信中稱，張進(jìn)必須立刻停止在美國開展的胚胎臨床試驗(yàn)。 不嚴(yán)格立法，可能帶來的后果就是非醫(yī)療為目的的基因編輯技術(shù)會(huì)大量增多，在將來甚至可能會(huì)產(chǎn)生一些超越常人的能力（比蝙蝠俠強(qiáng)，但不會(huì)到超人的地步）或者超級(jí)長壽的人類，并且可以向下一代依次傳遞。 而設(shè)計(jì)嬰兒讓自己的后代不僅是克服疾病，而是變得更美更壯。會(huì)導(dǎo)致人與人之間基因組的差異越來越小，嚴(yán)重影響生物多樣性。 更嚴(yán)重的是編輯中可能產(chǎn)生的脫靶或者別的基因編輯失誤，會(huì)引起基因的不穩(wěn)定，增加慢性疾病的發(fā)病率。而這些異狀不會(huì)一開始就被發(fā)現(xiàn)。 當(dāng)上帝并不那么容易。 2015年底，中美英等多國科學(xué)家和倫理學(xué)家在華盛頓舉辦“人類基因編輯國際峰會(huì)”。此次會(huì)議討論了是否應(yīng)該開展人類胚胎基因編輯技術(shù)的研究或應(yīng)用。 最終得出的底線是：禁止出于生殖目的而使用基因編輯技術(shù)改變?nèi)祟惻咛セ蛏臣?xì)胞。這意味著，用CRISPR基因編輯幫助自己治病可以，但不能用它來制造“完美”的下一代。 最新的進(jìn)展是，這兩年中英美三國已經(jīng)在用這個(gè)技術(shù)編輯胚胎，只不過編輯后就銷毀。 但目前，中國對(duì)于基因編輯技術(shù)無論是法律還是規(guī)范等監(jiān)管措施方面依然存在著大量空白。 |
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