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治疗癌症、灭绝蚊子、复活猛犸象……最近流行的 CRISPR 基因技术到底能做什么,进展如何?
作者:   来源:好奇心日报   发布者:尹海华   日期:2017-08-30   今日/总浏览:2/1638

治疗癌症、灭绝蚊子、复活猛犸象……最近流行的 CRISPR 基因技术到底能做什么,进展如何?

基因编辑又火了起来,从电影里的超能力到现实中复活猛犸象

屏幕里,壮硕的酒吧老板拿起电锯割向自己的腹部,锯齿没能切开皮肤,反倒冒起烟来。

这是漫威超级英雄卢克·凯奇在 Netflix 的超级英雄电视剧里第一次展示自己的超能力。

根据同名剧中医生的解释,这是因为凯奇被人用 CRISPR 基因编辑技术植入了鲍鱼的基因。鲍鱼壳因为内部蛋白质和碳化钙独特的结构组合,强度甚至比常用于防弹装甲的高级陶瓷还硬。因此凯奇的皮肤变得刀枪不入。

治疗癌症、灭绝蚊子、复活猛犸象……最近流行的 CRISPR 基因技术到底能做什么,进展如何?

超级英雄显然不能当真。但 CRISPR 基因编辑技术是真实存在的,而且最近很火。这是一种可以用外来基因片段准确替换生物体内自身基因组,从而改变生物本身的技术。

事实上,正式因为 CRIPSR 最近的火热,它才成了卢克·凯奇故事里的一部分。

卢克·凯奇是漫威在 1972 年打造的英雄。设定里,他的皮肤拥有刀枪不入的强度。在那个年代,没有太多人去追究这个设定本身的科学根据。

但这两年漫威和 Netflix 合作了一系列超级英雄电视剧,剧中的情节就加入了 CRIPSR 基因编辑技术的设定。

不只这一部。

治疗癌症、灭绝蚊子、复活猛犸象……最近流行的 CRISPR 基因技术到底能做什么,进展如何?

2016 年,重启美剧《X 档案》的第十季中,CRISPR 就化身为外星人的生物武器,可以敲除地球人的腺苷脱氨酶基因,从而破坏全体人类的免疫系统。

NBC 甚至决定拍摄一部标题直接叫做《C.R.I.S.P.R.》的生化题材惊悚片,由詹妮弗·洛佩兹出演。

这些都是比较臆想的科幻情节。比如《X 档案》的科学顾问、马里兰大学病毒学家 Anne Simon 自己就认为这些情节不可能发生,CRISPR 是有益的研究工具。

不过 CRISPR 也确实将一些科幻情节变成了现实。

早在 1990 年,著名科幻作家迈克尔·克莱顿(Michael Crichton,也是《西部世界》的作者,哈佛医学院毕业)就在《侏罗纪公园》一书里写过复活恐龙的可能。

在故事里,科学家从琥珀中提取了上古蚊子血液里的恐龙 DNA,然后用现代青蛙的 DNA 片段补上不完整的部分,从而复活出恐龙。

那个故事给了哈佛大学的遗传学家 George Church 启发。这位科学家是合成生物学的先锋,帮助启动了人类基因组计划,也是 CRISPR 技术的先驱之一。他想复活猛犸象。

恐龙死了 6500 万年,DNA 没法保存这么久。而猛犸象灭绝仅数千年,并且遗骸在西伯利亚的冻土层中保存良好,冰封的 DNA 仍有重新表达的机会。

但是猛犸象的细胞核已经受损,所以 Church 利用 CRISPR 技术,将猛犸象的 DNA 编辑进亚洲象的染色体中,再通过克隆技术培育出杂交胚胎,希望让这个物种的某些性状重见天日。

通过精确选择和编辑猛犸象的 DNA,Church 团队两年来编辑过的基因片段数量已经由 15 增至 45 个。如果胚胎能发育成功,这种杂交种将拥有猛犸象的特征,如小耳朵、长毛发、更厚的皮下脂肪和适应低温的血液。

目前,Church 团队完成了细胞培养,正在评估这些编辑的影响,朝着在实验室培育胚胎努力,并有望在两年内成功培养出胚胎。

但要培育出真正的个体,还有着数年的距离。因为他们并不打算招募母亚洲象来代孕。Church 团队不想把濒危物种的雌性个体置于危险的境地,他们计划建造一个巨大的人工子宫。很多人认为,这一计划在 10 年间无法实现。

不过不管是 5 年还是 15 年,仅仅这件事从理论上可行,并且科研团队在一步一步推进中就已经让人兴奋。当克莱顿写《侏罗纪公园》的时候,那看上去还完全是一个幻想。

依据这件事写成的书《毛茸茸:复活史上灭绝偶“象”之最路上的真实故事》的电影改编版权卖给了福克斯,而 Church 听说电影的预算是 8000 万美元。

除了 Church,加州大学圣克鲁兹分校的 Ben Novak 也希望利用博物馆里的标本复活 19 世纪末灭绝的旅鸽。他相信如果没有 CRISPR 技术,复活已灭绝的生物只是美好的幻想。

关于编辑基因还有一些别的插曲,比如号称可以挑战 CRISPR 的中国韩春雨团队发布的 NgAgo 基因编辑技术因为各地实验室都无法重现实验,最终作者主动申请撤回了论文。

所以 CRISPR 到底是怎么回事,科学家和商业公司们又在用它做什么?


基因编辑后的食物可以不打“转基因”的标志

1946 年,科学家首次发现 DNA 可以在生物间转运。直接植入抗体基因让农作物自带抵抗害虫的转基因技术极大的提升了农作物的产量。

问题在于人类长期使用添加了新增基因,是否会产生不良的影响?这种担忧让监管机构要求转基因食物必须明确标注是被基因改造过的。

美国生物科技公司 AquaBounty 培育出来的转基因三文鱼,被美国食品安全局 FDA 强制要求标注转基因才能销售。由于担心消费者对于转基因食物的担忧导致三文鱼卖不出去,AquaBounty 公司选择不在美国出售,只在加拿大出售三文鱼,在加拿大,转基因食物不用特别标注。

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但如果不新增基因,只是删除掉不好的基因片段来改造农作物,这可能就不用标上转基因标示了。

无论在中餐还是西餐中,白蘑菇都是一道重要的食材。不过,白蘑菇最好是现买现做,如果在冰箱中放上两天,它就会变成褐色,并且黏糊糊的。

实际上,白蘑菇褐变是由一种叫多酚氧化酶(PPO)引起的。于是,宾夕法尼亚大学教授杨亦农和他的团队利用 CRISPR 基因编辑技术,敲除了 6 个氧化酶编码基因中的 1 个,将酶活性降低了 30%,从而延缓白蘑菇褐变,好处显而易见,至少你可以在冰箱里多放几天白蘑菇。

2016 年 4 月,美国农业部表示,它不会对 CRISPR 基因编辑过的白蘑菇进行监管。

关键就在于通过 CRISPR 这种能精确定位基因片段的技术来删除氧化酶编码基因片段,并不会使用来自病毒或细菌的外来基因,所以并不会对周围农作物产生任何可能的危害。

吃上这种白蘑菇可能还有段时间,虽然农业部明确表示不会监管由 CRISPR 基因编辑过的各种农作物,但美国食品安全局 FDA 还需要时间来确定是否能安全食用,以及是否需要像转基因食物那样明确标注出来。

但至少从原理上,仅仅是删除掉不良基因的食物可能更容易让监管部门接受。

不单单在农作物上,对于动物来说, CRISPR 基因编辑也能做很多事情。

母牛天生没有角吗?

恐怕很多人都不知道这个问题的答案。实际上,母牛是在很小的时候被人为去掉犄角,避免母牛用锋利的牛角来攻击。

普遍的方法是在母牛很小的时候用电烙铁烧去角质部位。但这种常见的方法对母牛的年龄要求很高,一般在出生一个月以内完成,过早或者过晚都会容易造成母牛的疾病甚至死亡。

CRISPR 基因编辑的特点,就是在于可以精确控制基因信息。通过基因编辑培育出没有犄角的牛,已经出现在加利福尼亚大学戴维斯分校的研究室里。

定位并删除牛角生长的关键基因,再培育出正常生长过程中不会长角的牛。这样的模式并不仅限于对于牛角的改造,从动物传染疾病到优化动物肉质口感的实验都取得一定的进展,基因编辑正在实现更多的可能。

基因编辑农作物在视觉上不会造成太多的争议,但没有角的公牛或者由于修改基因导致出现体型巨大的肉鸡是否会在心理上让消费者难以接受。

这又是另一个问题了。


种族灭绝,已经从蚊子扩展到亚洲鲤鱼

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既然可以复活消失的物种,基因编辑某种程度上也可以用来灭绝某些物种。

像那些在夏天让你非常讨厌的蚊子。

登革热、疟疾、寨卡病毒,蚊虫由于吸食血液而极其容易让人类感染各种危及生命的病毒。

而雌蚊在产卵之后,2 到 3 天就能孵化出下一代蚊子。在雨林或者潮湿的热带地区,蚊虫可以快速大量的繁殖,普通依靠药物杀灭蚊虫的方法无法抑制疾病的传播。

2016 年寨卡病毒被蚊虫快速传播到全世界,短短一年时间,巴西已经有将近 4000 例感染病毒的新生婴儿。

比起喷洒药物灭蚊,CRISPR 基因编辑可以从最根本的繁衍上消灭蚊虫。

美国密苏里大学的研究人员通过 CRISPR 基因编辑对 25712 条幼虫进行了基因片段的插入。这种片段可以使蚊子的眼睛在荧光灯下发出红光。实验的结果成功在幼虫眼睛里检测出红光。

这说明被修改的基因片段确实可以影响蚊虫,让免疫病毒或者彻底删除蚊虫繁殖能力的可能进一步提高。

而 CRISPR 基因编辑也不单单能消灭携带病毒的害虫,大量繁殖而影响生态的生物也可以用基因修改来改变繁殖的情况。

在美国各条河道大肆入侵的亚洲鲤鱼就是最好的例子。

比起被调侃说,给我们签证和飞机票就能吃光鲤鱼的解决办法, 用 CRISPR 基因编辑来解决鲤鱼泛滥更加靠谱。

美国多家机构正在研究通过植入基因片段来驱动亚洲鲤鱼只能繁衍出雄性,来减少泛滥的情况。

比起复活生物,在消灭物种上,基因编辑的效率可能更高。


为防止电影里的灾难,基因编辑也有“自杀开关”

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被基因改造过的生物从实验室逃走引发一系列的灾难,是好莱坞电影最常见的情节之一。

用技术改造基因会不会产生变异的生物,不仅仅是电影编剧的担忧,至少科学家已经在考虑如何控制基因编辑导致可能的危害。

为了预防实验室中被修改过基因的细菌“逃逸”。今年 2 月,麻省理工学院的研究人员利用 CRISPR 基因编辑开发了一种可以让细菌自我毁灭的“自杀片段”。

细菌被植入了这种基因片段后,它将不得不依赖实验室中培育细菌的环境。一旦离开了实验室的环境,自杀基因片段就会被诱发,从而删除细菌内特定的基因,让细菌快速死亡。

在试验中,大肠杆菌被植入一种名为 DNAi 的系统,这个系统分为两块组成部分,一种是通过 CRISPR 技术编辑过,可以准确定位细菌核心基因的片段,和另一种会被阿拉伯糖分子诱发,负责切除核心基因的 Cas9 酶组成。

测试中,在大肠杆菌接触到阿拉伯糖分子仅仅 15 分钟之后,99 % 的细菌都被杀死。

对于麻省理工学院的生物教授克里斯托弗·沃格特(Christopher Voigt)来说,这种技术不单单意味着可以诱发离开实验室的细菌快速死亡,还可以保护一些机密研究成果不会被泄露。

利用 CRISPR 基因编辑控制细菌存活可以实现的作用有很多,至少我们不用担心未来真的要面临电影情节那样的考验了。


关于人体改造监管,禁止制造“完美”婴儿是底线

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从优化农作物,到解决遗传疾病,一方面,基因编辑技术的巨大潜力确实极具诱惑,至少科学家给我们描绘了一个无疾病、无饥饿、无污染和人人长寿的未来新世界。

哈佛和麻省理工的研究人员正在实验用 CRISPR 技术切除肥胖基因,从而促进脂肪的燃烧。

约翰·霍普金斯大学的团队也正在寻找和精神分裂、双相情感障碍及抑郁症相关的基因。

麻省总医院则在开发基于 CRISPR 的阿兹海默症的治疗方法。甚至有科学家正在努力寻找和衰老相关的基因,并试着敲除它们,以追求长寿的秘密。

但另一方面,人类胚胎基因编辑在技术和伦理上引发了激烈的争论。

目前有许多国家通过法律来明确禁止人类胚胎细胞基因编辑,美国国立卫生研究院(NIH)明确表示禁止对人类胚胎进行任何形式的基因编辑研究。

去年,美国华裔医生张进在墨西哥帮助一对携带莱氏综合症基因的约旦夫妇诞下拥有父亲、母亲及捐赠者 3 人基因的健康婴儿。

莱氏综合征是一种遗传疾病,会导致新生婴儿无法正常发育。张进通过把母亲的卵细胞核移植进入捐赠者已经先去除细胞核的健康卵子中,然后再植回母亲的子宫中。

虽然这种移植技术仅仅只是略微涉及到基因编辑的范围,远不像 CRISPR 技术那样对基因进行直接编辑,但美国食品与药物管理局(FDA)还是向张进发送了一封措辞强硬的警告信。

信中称,张进必须立刻停止在美国开展的胚胎临床试验。

不严格立法,可能带来的后果就是非医疗为目的的基因编辑技术会大量增多,在将来甚至可能会产生一些超越常人的能力(比蝙蝠侠强,但不会到超人的地步)或者超级长寿的人类,并且可以向下一代依次传递。

而设计婴儿让自己的后代不仅是克服疾病,而是变得更美更壮。会导致人与人之间基因组的差异越来越小,严重影响生物多样性。

更严重的是编辑中可能产生的脱靶或者别的基因编辑失误,会引起基因的不稳定,增加慢性疾病的发病率。而这些异状不会一开始就被发现。

当上帝并不那么容易。

2015 年底,中美英等多国科学家和伦理学家在华盛顿举办“人类基因编辑国际峰会”。此次会议讨论了是否应该开展人类胚胎基因编辑技术的研究或应用。

最终得出的底线是:禁止出于生殖目的而使用基因编辑技术改变人类胚胎或生殖细胞。这意味着,用CRISPR 基因编辑帮助自己治病可以,但不能用它来制造“完美”的下一代。

而近两年,中、英、美等国陆续为胚胎的基因编辑开了绿灯,支持改造人类可遗传性基因特性的临床努力,但仅限于可能导致严重疾病和残疾的基因的改造。月初,《自然》更是报道,美国第一个修复了人类胚胎的致病基因,将一种可能导致心衰的基因序列剪下来,得到的胚胎有 72% 没有复制致病基因。但目前用这项技术编辑的胚胎,会在实验室中及时被销毁。

但目前,中国对于基因编辑技术无论是法律还是规范等监管措施方面依然存在着大量空白。


三分钟知道 CRISPR 是怎么回事

基因编辑存在已久,其实传统的杂交育种就是早期对基因的人工改造,比如袁隆平 1977 培育出穗大粒多的“南优 2 号”杂交水稻。

更早的还有宠物狗,很多品种都是通过杂交诞生的。你也可以认为这是一种基因编辑。

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但无论是水稻还是杂交狗,由于没有借助现代分子生物学的手段,无法精细地修饰基因,结果非常不可控。

而 1980 年开始兴起的转基因能够做到这一点。将目的基因与载体分子结合为重组 DNA 分子,利用农杆菌或基因枪注入到受体细胞后大量增殖,再筛选出具有重组 DNA 分子的重组细胞,以此导入外来的基因。这种方法用比较粗糙的方法以外部片段修饰目标基因,比较随机,也不够准确。

CRISPR 则可以做到精确编辑任何生物、任何细胞里的 DNA。

CRISPR 是一个缩略词,指的是细菌细胞中“规律成簇的间隔短回文重复”(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)。

简单地说,它是一个 DNA 序列,是一段基因记忆,是细菌在长年对抗病毒入侵时积累的血肉长城,重复的序列就是蜿蜒的城墙。

就像人体的免疫系统,能够提取入侵细菌或病毒的特征,并呈递给免疫细胞让它形成记忆,从而当病原二次入侵时能及时识别消灭。

细菌在世世代代与病毒的抗争之中,也进化出了这种简易而精确的免疫功能。过往的病毒将基因重复遗留在细菌的 DNA 链上,形成细菌的“记忆”,在病毒再次入侵时,指引酶等工具来消灭它。

具体来说,病毒感染细菌时,会把自己的遗传物质嵌入到宿主细胞的 DNA 上,深入内部反客为主,利用宿主细胞为自己服务。细菌则进化出了 CRISPR 这一免疫武器,它是之前的病毒感染痕迹的留存,也是病毒基因特征的记录。

等到病毒再次入侵并嵌入基因时,CRISPR 就能凭借此前的记录,引导相关的蛋白(CRISPR associated,Cas)把外来的基因切除掉,从而解决掉入侵的病毒。

科学家们利用了 CRISPR 精准切割的这个特性,对它重新编程,使之能切割任何生物的任何 DNA,达到人为编辑基因的目的,以改变生物原有的遗传特性、获得新性状。

在 CRISPR 之前,学术界广泛应用的是基因打靶、锌指核酸内切酶(ZFN)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN),它们都是与转录因子相关的核酸酶。比起它们,CRISPR 技术成本低廉、操作方便、效率高、可以同时编辑不同的位点,一次顶过去五次。

以应用最广泛的 CRISPR / Cas9 为例,想象基因是由很多节点构成两条双螺旋的链条,而编辑只需要用到两个工具——向导 RNA(guide RNA, gRNA)和 Cas9 蛋白。

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Cas9 蛋白像一把剪刀,通常从基因节点,也被称为碱基 NGG (N 代表任意碱基)的地方剪断基因。

随后,人工设计的向导 RNA 会将 DNA 双螺旋解开,配对到其中一条,Cas9 蛋白再出手在刀口处剪断。随后 DNA 会开启自动修复机制,将剪断的两端连接起来,从而实现目标区域的敲除或替换。

虽然操作和效率都得到了提升,但 CRISPR 技术可能存在的问题就是,向导 RNA 不一定每次都能准确匹配被剪短的基因。在 DNA 损伤修复的时候也可能出现意外。

就像是一列没有被铁轨合理引导的出轨火车,随时会导致基因组产生未知的突变,这被称为脱靶效应。

随着科学家们对 CRISPR / Cas 系统的不断优化,脱靶率正在不断降低。


CRISPR 背后还有一个专利战

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2012 年以来,CRISPR 技术掀起了一阵学术界的淘金热。在 Google 学术上,CRISPR Cas9 相关的文献已经超过 51700 篇。

大潮之前的图景则略显单薄。1987 年,日本微生物学家石野良纯最早在大肠杆菌的 DNA 中发现了间隔重复的回文结构,当时的人们对此一无所知,也没有引起太大的重视。

1990 年代,科学家们多次在细菌的基因组中发现这种重复的序列,其中包括荷兰乌得勒支大学的 Ruud Jansen 和西班牙阿利坎特大学的 Francisco Mojica,二人在通信中提出将它命名为 CRISPR,并在 2002 年用于出版物中。2005 年,三个研究组同时发现这种序列和侵染细菌的病毒的基因非常相似,从而推测它可能是抵抗入侵的某种机理。

2007 年,美国奶制品公司 Danisco 的科学家在《科学》上发文,以工业上生产酸奶的嗜热链球菌为实验对象,研究者发现对病毒有抗性和敏感的两种链球菌在 CRISPR 序列中存在差异,于是他们增加和敲除了这部分序列,发现噬热链球菌对病毒的敏感性发生了改变。

在一些基础性的研究之后,CRISPR / Cas9 作为基因编辑技术隆重登场,同时也为一场旷日持久的专利之战埋下伏笔。故事将主要围绕以下三个人展开:

  • 加州大学伯克利分校的分子生物学家 Jennifer Doudna;

  • 瑞典于默奥大学的微生物和遗传学家 Emmanuelle Charpentier;

  • 麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的合成生物学家张锋。

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2012 年 8 月,Doudna、Charpentier 和同事们在《科学》上发表论文,首次将细菌的免疫机制变成了可编程的切割工具,用 CRISPR / Cas9 精确切割了质粒和双链 DNA。她们切割的是细菌的 DNA 片段,并为此提交了专利,表明她们发现的这一切割系统可以作为任何类型细胞的基因编辑工具。

这项研究引起了学术界的广泛注意。同年 12 月,张锋将这项技术用于小鼠和人类的真核细胞,证明这项技术在复杂细胞中的可行性。他也为此提交了专利,权限包括在任何由细胞核的物种中使用 CRISPR。不仅如此,他还要求加速审查,通过缴纳费用走了绿色通道。2013 年 2 月,论文在《科学》上发表。

与此同时,大家开始关注这项技术的脱靶效应。初始的尝试总是不太完美,当时的一系列研究表明,脱靶效应广泛存在。半年后,张锋在《细胞》上发表论文,提出了利用两个向导 RNA 增强准确性的方法 Double Nick,大大减少了脱靶现象,也进一步完善了这项技术。

2014年,美国专利商标局将技术专利赋予张锋,加州大学要求发起抵触审查程序(Interference proceeding),专利争夺战随之拉开序幕。这次审查于去年 1 月开始,根据 2012 年美国专利法先发明者得专利的排队规则,双方各自提交了数百页文件,证明自己一方在时间上领先。

这项专利归属的争议在于:Doudna 的专利主要用于简单生物体的 DNA 编辑,而 Broad 研究所申请的是真核细胞中的基因编辑,将前者的常规方法应用于高级细胞,究竟是不是一项创新。

并且,在 Doudna 和 Charpentier 的论文发表后,先后有许多实验室都依据文中的方法实现了真核生物中的基因编辑,Doudna 的团队随后也发表了人类细胞中的编辑成果。

去年 12 月,加州大学和博德研究所在美国商标局参加了唯一一次口头辩论。2 月,美国商标局作出裁定,张锋所在的博德研究所保留 2014 年所获得的专利权,两个团队的发现并不存在冲突。为此加州大学 4 月向联邦法院提起了上诉。

这场纷争也有一些有趣的插曲。2016 年,《细胞》发表了博德研究所生物学家 Eric S. Lander 的文章《CRISPR 英雄谱》,文中回溯了这项技术的研发历史,但在关键的基因编辑部分强调了张锋的成果,对 Doudna 和 Charpentier 的贡献所提不多。二人分别在评论区回应,作者并未将论文交给她们检查,也未征得她们的同意,Lander 也因此遭到了很多批评。

这场战争并不仅仅是两个团队之间的争夺。在欧洲,包括伯克利分校和 Broad 研究所的 6 家机构在早期向欧洲专利局提交了 CRISPR 的专利申请。根据专利代理人的看法,在欧洲很可能不会出现“赢家通吃”的情况,而是 6 家机构的权利会相互重叠。7 月 27 日,欧洲专利局表示,将授予默克子公司 Millipore Sigma 真核细胞中的 CRISPR 编辑专利。

但中国似乎站在加州大学这边。今年 6 月,Doudna 创立的 Intellia Therapeutics 和 Charpentier 创立的 CRISPR Therapeutics 公司相继发布消息称,其已经获得中国国家知识产权局授予的 CRISPR 基因编辑技术上的专利。

学术界也更偏向 Doudna 和 Charpentier,张锋凭借这项技术获得的学术奖项,许多都是同她们共享,比如 2016 年的盖尔德纳奖和 2017 年的阿尔伯尼生物医学奖。而 Doudna 和 Charpentier 除了获得 2015 年的生命科学突破奖外,还携手入选《时代》杂志 2015年度影响百人,以及今年的日本国际奖等。

科学家们对这项技术的优化也没有结束。最新的进展是,上周 Doudna 团队进一步完善了这项技术,研究组在《细胞》上发文,宣布发现了 CRISPR 的“停止键”,可以控制编辑过程的结束。此前,这一过程的结束只能顺其自然。

CRISPR / Cas9 系统的专利之争仍将继续,但它正在彻底改变基础研究、农业和医学。


想复活猛犸象的人,还把照片存进了 DNA

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除了通过基因编辑复活猛犸象,George Church 最近的另一项研究是用 CRISPR 技术把一张 GIF 图存进了大肠杆菌的 DNA里。

使用 DNA 存储数据并不是新闻,5 年前就有团队在 DNA 中存储文字和图片。作为新兴的存储介质,它存储密度巨大,1 克 DNA 可存数亿 GB 数据;储存年限久远,妥善保存可数万年,并且测序就能读取。缺点则是目前合成 DNA 的成本太高,且不能随时存取。

但在此前的研究中,存储的介质都是人工合成 DNA 的片段,而不是活细胞中的 DNA。研究团队这次把一张手掌的照片和一段策马奔腾的动态图片编码成 DNA 片段,借助 CRISPR 技术剪切到大肠杆菌的基因当中,在数代繁衍后重新读取 DNA 片段,图像的还原度达到了 90%。

论文的作者之一、哈佛医学院合成生物学家 Seth Shipman 想要研究大脑发育的过程,这个过程中会有一系列生化反应在细胞中发生,但很难明确地记录下来。而这项研究证明了 CRISPR 技术在大肠杆菌上的应用,真正的目标是让细胞变成记录仪,可以收集各种分子信息并存储在 DNA 当中,以便之后查阅在发育中的作用。这个概念被称为“分子纸条”,正是 George Church 的点子。

合成生物学的另一个课题是人造生命体。科学家们一直在研究怎样才能人工合成细胞——按照人为编码,细胞可以按需合成出各种各样的药物。美国遗传学家 Craig Venter 在 2010 年将合成的基因组引入去掉基因的宿主细胞,结果是宿主可以连续复制。

来自 Scripps 研究所的团队则分别在 2014 年和今年创造了半合成的生物体,今年他们利用 CRISPR-Cas9 技术强化了三年前的版本,去掉了排斥非天然碱基的基因,这将允许他们在合成 DNA 中任意添加想要的基因片段,这为蛋白质的按需定制奠定了基础。

当然,如果你想做一名生物骇客(Biohacker),也可以自己在家体验一下简单的 CRISPR 实验。曾在 NASA 工作过的合成生物学家 Josiah Zayner 想要培养更多的生物骇客,因此创立了 ODIN售卖一些简单的生物 DIY 工具包,其中就包括CRISPR 套件。

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利用 CRISPR 套件 DIY 工具包,你可以在家扮演琼脂块上的上帝。图 ODIN

当然,这个套件只是一个新手教学包——普通的大肠杆菌在涂有链霉素的琼脂板上会被杀死,你按照说明,用 CRISPR 敲除大肠杆菌与链霉素结合的基因,再把改造后的大肠杆菌放在链霉素琼脂板上,就能观察到它在性命攸关的环境中生存了下来。

所以你没法用这个 159 美元的套件来强化自己的皮肤。事实上,这是对 DIY 生物学家能力的高估。分子生物学实验耗时耗力,需要用到专业的大型设备,由于 DIY 实验室的限制,业余爱好者只有在需要对基因作精确改变时才会去当地大学实验室使用 CRISPR。

Zayner 表示,他所使用的细菌被认为是安全的,并不比皮肤上的细菌有害。但对于 DIY CRISPR 最大的担忧,则是将修饰过的基因传播到自然界。对此,加州的一名环境律师和生物骇客 Dan Wright 认为,这也十分困难,超出了大多数业余爱好者的能力。毕竟这个操作需要将改造后动植物细胞培养成个体,这比养细菌要复杂得多。


糖尿病、癌症治疗已经在日程上,但大多在非常早期

将缺陷得到修饰的细胞输回体内,或着修复代谢失衡,或着加强免疫细胞的攻击力,从而起到治疗的作用。示意动画来自《麻省理工科技评论》

理论上,只要找到和疾病相关的基因,用 CRISPR-Cas9 编辑去掉致病的因素,就可以治疗基因缺陷方面的疾病。科学家们凭此展开了各种各样的设想与尝试。

最有希望的应用是单基因疾病的治疗,如囊性纤维化、镰状细胞性贫血和肌营养不良症。它看上去挑战最小:修改人类基因组 30 亿基因片段里的 1 段。

例如,镰状细胞性贫血是由血红蛋白基因缺陷引起的,一个氨基酸的差异导致正常的血红蛋白无法形成。

一个设想是,利用 CRISPR 技术将抽出的血液编辑基因,再重新输回身体,就能产生正常的血红蛋白。

但这种做法也不是一劳永逸,镰状细胞基因已知可以预防疟疾,如果切掉了这段基因就失去了天然的防护。为此,张锋创立、获得盖茨基金会投资的 Editas 公司正在解决这个问题。

类似的,如果能够去掉编码疾病相关蛋白的基因,就能中止致病蛋白的合成。

已经展开的研究有舞蹈病、帕金森和渐冻症等。糖尿病的潜在治疗策略也类似,对 2 型糖尿病,去年隆德大学的一项研究关掉了大鼠体内组蛋白乙酰转移酶的合成,从而增加胰岛素的产生。

1 型糖尿病的策略脑洞更大,今年 8 月芝加哥大学的一项研究中,研究人员把基因编辑后的表皮干细胞贴在小鼠的皮肤上,然后大量喂食,人造皮肤分泌的激素 GLP-1 会促进胰岛素的分泌,从而免去了肥胖小鼠自己打胰岛素的烦恼。

癌细胞的应对策略也类似。去年 6 月,宾夕法尼亚大学改造 T 细胞并灌注回患者体内,让它能靶向攻击骨髓瘤、黑色素瘤和肉瘤,并申请了人体实验。还有一些研究则瞄准了癌细胞的弱点,利用 CRISPR 快速诊断并切掉癌症突变,并用来完善个体化疗法。

除了修复内在的缺陷,CRISPR 技术还可以应对外来的威胁。切掉逆转录病毒的遗传物质,如乙肝病毒、艾滋病病毒等。逆转录病毒感染细胞时,会将自己的遗传片段整合进宿主的 DNA,再利用宿主细胞复制繁衍。因为它们藏匿在细胞核中,目前通常只能用药物抑制它的复制,让它的遗传片段保持休眠。

基因编辑技术则让人看到了将它从基因中切掉的曙光。已经有多个研究团队设计出了靶向乙肝病毒基因片段的向导 RNA,并在细胞培养和小鼠身上做了测试,实验均表明乙肝病毒的复制和藏匿都受到了破坏,是根除乙肝有潜力的治疗方法。

艾滋病方面的研究也有诸多突破。有的团队用这项技术改造免疫防线 T 细胞,去掉了 T 细胞表面结合 HIV 的 CCR5 受体,想让病毒走投无路,无法进入 T 细胞破坏免疫系统,从而获取对它的免疫力;有的团队利用它切除在细胞核中藏匿的 HIV 基因片段,最新的进展是,5 月的一项研究称,天普大学和匹兹堡大学的研究人员第一次在活体动物的基因组中清除了 HIV 的 DNA,从而将它在小鼠体内彻底消灭。

这意味着这种治疗策略具有清除藏匿 DNA 的潜力,团队正计划在灵长类动物中重复这一研究。

这项技术并不仅限于重大的疾病,也可以用在很日常的地方。今年 4 月,威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队计划用它对抗耐药菌,他们打算改造一种病毒,为它添加定制的 CRISPR 相关的序列,感染人体内的细菌,从而误导细菌开启自毁程序,让它死在自己的剪下。

治疗癌症、灭绝蚊子、复活猛犸象……最近流行的 CRISPR 基因技术到底能做什么,进展如何?

4 月的另一项研究则提出了一项非常便宜的感染快速诊断方法,这个名为 SHERLOCK 的工具在监测到特定病毒或细菌的遗传序列后,就会切割 RNA 从而释放荧光信号,达到快速指示的目的。这个测试的成本只有 61 美分,比显微镜观察和组织液培养便宜得多。

对于蚊虫叮咬导致的莱姆病和疟疾,也有研究提出这种方法也许可以降低感染率。

CRISPR 技术还有可能解决器官移植的问题。本月《科学》上的一项研究为这种方案提供了可能性,一家名为 eGenesis 的公司利用这项技术,剪去了猪身上的病毒基因,从而消除了猪器官中很大的安全隐患,为此后的移植奠定了基础。

只不过,以上提到的研究都处于非常基础的阶段,在体外细胞和小鼠中有效并不意味着这些疾病从此有药可医,中途还需要经过漫长的重复验证和三期临床试验。

这些研究中,进展比较快的已经开始了临床试验。其中最早的是去年 10 月四川大学华西医学院肿瘤学家卢铀在晚期非小细胞肺癌患者身上的实验,10 名患者接受了编辑过的免疫细胞的注射。团队希望,对于化疗、放疗和其它手段均无效的患者,敲除 PD-1 基因的免疫细胞可以恢复对肿瘤细胞的攻击能力。目前实验还在进行当中。

4 月 28 日,南京大学魏嘉团队在鼓楼医院第二个开启了在鼻咽癌患者身上的人体实验。根据临床试验注册表,中国正计划多项敲除 PD-1 相关的癌症临床试验,包括乳腺癌,前列腺癌,膀胱癌,食管癌,肾癌,结肠直肠癌等。

宾夕法尼亚大学的研究团队也在做类似的工作,他们希望招募到 18 名骨髓瘤、肉瘤和黑色素瘤的患者,并改造他们的免疫细胞,方法和卢铀团队相同。这个项目由 Sean Parker 赞助,也获得了美国国立卫生研究院的批准,如果能获得美国药监局的批准,临床试验有望于今年开始。

除了癌症之外,关于失明的一项研究也正在计划申请人体实验。这项研究由 Editas 公司开展,治疗 Leber 先天性黑内障导致的失明。但根据公司的说法,由于制造商的延误,实验将推迟到明年中期。

另一项针对 HPV 的临床试验则可能改变研究者们的思路。中山大学的这项研究没有在体外编辑细胞,而是直接将含有 CRISPR 编码的 DNA 凝胶应用到体内,从而破坏病毒的基因。

不过值得注意的是,CRISPR 技术只是基因编辑技术的一种新工具,用之前的工具编辑基因的疗法早已进入临床,并已经挽救了两名患儿的生命。

而应用 CRISPR 技术的临床试验,结果还有待时间来揭晓。

目前提到的这些治疗技术,除了中国正计划的多项癌症临床试验外,其它基本都还在非常早期阶段。


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