那些基因編輯后的動物

楊雄雄

被稱為“成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列”（CRISPR）的基因分子或基因剪刀已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)和生命領(lǐng)域產(chǎn)生了重大作用和巨大影響。除了對人的基因和人類胚胎的編輯引發(fā)巨大爭議外，目前這一技術(shù)在編輯動物基因方面獲得相當(dāng)多的成果，為治療人類疾病和生產(chǎn)人類所需要的產(chǎn)品提供了廣闊平臺。

現(xiàn)在研究人員已經(jīng)能用CRISPR基因剪刀來編輯豬、魚、猴子、羊、兔子、老鼠、蝴蝶等動物的基因。下面可以梳理一下CRISPR基因剪刀編輯動物基因產(chǎn)生了哪些對人類有益的典型動物。

治療杜興氏肌萎縮小鼠

杜興氏肌肉營養(yǎng)不良癥（又稱杜興氏肌萎縮，DMD）是遺傳性肌肉萎縮疾病。該病的致病基因存在于X性染色體中（Xp21），是通過性連鎖隱性遺傳而致病。該病由表達(dá)肌萎縮蛋白的基因受損引發(fā)。肌萎縮蛋白能夠增強(qiáng)與保護(hù)肌纖維，當(dāng)肌萎縮蛋白缺失時(shí)，骨骼肌與心肌將會發(fā)生退化。

男性只有一個(gè)X性染色體，因此該病患者大多為男性，患者經(jīng)常需要坐輪椅，利用呼吸機(jī)輔助呼吸，壽命一般在25歲左右。若女性的一對X性染色體中的一個(gè)攜帶有變異的杜興氏肌萎縮基因，便成為一個(gè)杜興氏肌萎縮的攜帶者，其兒子有二分之一的機(jī)會成為患者，其女兒則有二分之一機(jī)會成為杜興氏肌萎縮基因攜帶者。

目前，對于這種疾病還沒有有效的治療方法，CRISPR基因剪刀的出現(xiàn)為根治這種疾病帶來了希望。CRISPR基因剪刀需要與Cas9配合操作，后者是一種由核糖核酸（RNA）指導(dǎo)的細(xì)菌核酸內(nèi)切酶家族，被CRISPR系統(tǒng)用來在特異性的基因序列位點(diǎn)上識別和切割雙鏈DNA，因此通常稱為CRISPR- Cas9基因剪刀。

CRISPR-Cas9基因剪刀當(dāng)然不能先在人身上使用來治療疾病，而是要進(jìn)行動物試驗(yàn)?，F(xiàn)在，研究人員利用CRISPR-Cas9基因剪刀對患杜興氏肌萎縮的小鼠進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了較好的效果。

對小鼠治療杜興氏肌萎縮的原理是，CRISPR-Cas9基因剪刀可通過一節(jié)RNA將Cas9酶移動到基因組中導(dǎo)致該病的致病基因位置，然后該酶能夠?qū)⑻囟ǖ闹虏NA片段切除，隨后細(xì)胞通過損傷修復(fù)機(jī)制將斷裂的DNA鏈連接，或者利用DNA模板創(chuàng)造新的序列。

現(xiàn)在，美國西南醫(yī)學(xué)中心的研究人員利用腺病毒將CRISPR-Cas9基因剪刀導(dǎo)入杜興氏肌萎縮小鼠胚胎中，以切除有缺陷的編碼肌萎縮蛋白的基因片段，結(jié)果使得出生后的小鼠能夠產(chǎn)生新的肌萎縮蛋白，改善了小鼠杜興氏肌萎縮的癥狀。

另外，美國杜克大學(xué)的另一個(gè)研究小組也利用CRISPR-Cas9基因剪刀，直接對成年小鼠的腿部肌肉進(jìn)行治療，結(jié)果讓小鼠的肌肉產(chǎn)生了正常的肌萎縮蛋白，力量得到增強(qiáng)，而且還改善了小鼠心臟等其他部位的肌肉力量。

這些研究結(jié)果也意味著，CRISPR-Cas9基因剪刀可以用來治療人的杜興氏肌萎縮，但是，還需要先進(jìn)行人體試驗(yàn)，并且需要得到倫理批準(zhǔn)。

基因編輯豬產(chǎn)生人類蛋白

人血白蛋白（HSA）是人血漿中的蛋白質(zhì)，其作用既廣泛又重要，因?yàn)樗鼈冊隗w液內(nèi)可以運(yùn)輸脂肪酸、膽色素、氨基酸等，同時(shí)能維持血液正常的滲透壓。人血白蛋白還可用于治療休克與燒傷，用于補(bǔ)充因手術(shù)、意外事故或大出血所致的血液丟失，也可以作為血漿增容劑。

但是，如果人血白蛋白只從人體獲取，如從獻(xiàn)血者的血液中提取，不僅數(shù)量有限，而且價(jià)格昂貴。因此，研究人員一直希望利用基因工程改造動物，如豬或羊來生產(chǎn)人血白蛋白?，F(xiàn)在的CRISPR-Cas9基因剪刀為實(shí)現(xiàn)這一想法提供了理想的工具，因?yàn)橥ㄟ^基因編輯動物，如編輯豬，可以讓豬生產(chǎn)人血白蛋白。

但是，基因編輯豬也會有兩種結(jié)果，既產(chǎn)生豬血白蛋白，也可產(chǎn)生人血白蛋白，要解決這個(gè)問題，就只能是在編輯豬的基因時(shí)，把敲入的人類基因放在位于豬血白蛋白產(chǎn)生基因的下游。北京蛋白質(zhì)組研究中心的研究人員通過使用CRISPR-Cas9基因剪刀，將人血白蛋白的基因敲入到豬血白蛋白基因位點(diǎn)下游起始密碼子，希望人血白蛋白基因能在豬內(nèi)源性白蛋白基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控下表達(dá)，同時(shí)阻止豬內(nèi)源性白蛋白基因的表達(dá)。

研究人員在10只巴馬母豬體內(nèi)植入了300個(gè)改造過的受精卵，之后有5只豬成功懷孕，產(chǎn)下了16只巴馬豬仔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這16只豬仔都帶有預(yù)期敲入的生產(chǎn)人血白蛋白的基因，在它們的血液中也能檢測到人血白蛋白。不過，各只幼豬體內(nèi)的人血白蛋白含量有所不同。因此，這只是一個(gè)初步的成功。

更重要的是，要在未來的繁殖試驗(yàn)中查驗(yàn)敲入的人血白蛋白基因是否能在這些豬的后代中遺傳下去。如果能穩(wěn)定遺傳下去，或許未來能讓這些基因編輯的豬生產(chǎn)人們所需要的人血白蛋白。

基因編輯豬提供供體器官

人體器官供不應(yīng)求制約了器官移植治療疾病和挽救人的生命，因此，一直以來，研究人員在想方設(shè)法采用動物的器官供給病人移植，豬的器官就被視為是一個(gè)很好的人類器官的代用品。

但是，采用豬的器官要解決兩大問題：一是豬的器官可能引發(fā)器官受者的免疫排異反應(yīng)，二是豬身上的一些隱藏的病毒和微生物可能對人有害。

豬的器官對于人是異種器官，異種器官移植面臨的免疫學(xué)排異反應(yīng)表現(xiàn)為超急性排斥反應(yīng)（HAR）、急性血管排斥反應(yīng)（AVR）、細(xì)胞介導(dǎo)的排斥反應(yīng)和慢性排斥反應(yīng)。1993年，美國匹茲堡大學(xué)的外科醫(yī)生庫珀等人發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)人類免疫反應(yīng)的肇事者就是源自豬血管內(nèi)皮細(xì)胞上的抗原，稱為α-1，3-半乳糖，這是一種糖分子，能在幾分鐘內(nèi)引發(fā)器官排異。但是，一種名為α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的物質(zhì)對于產(chǎn)生這種糖是必需的，將產(chǎn)生這種酶的基因敲除，就有可能緩和免疫排異反應(yīng)，從而讓豬器官供人類移植。

另一個(gè)問題是，豬體內(nèi)有多達(dá)幾十種潛藏的或休眠的逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）。盡管對豬的這些逆轉(zhuǎn)錄病毒是否對人類有害存在爭議，但較為普遍的看法是，如果使用豬的器官，就應(yīng)當(dāng)消除這些隱患，以免移植豬器官后引發(fā)其他疾病。因此，如果要使用豬的器官，就必須敲除豬體內(nèi)這些逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因，以確保萬無一失。

于是，去除或修改豬的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶和其他幾十種逆轉(zhuǎn)錄病毒基因就歷史地落到CRISPR-Cas9基因剪刀的肩上。美國哈佛大學(xué)的丘奇教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2015年10月宣布，他們的兩個(gè)研究小組已經(jīng)能完成去除或修改豬的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶基因和其他幾十種逆轉(zhuǎn)錄病毒基因的任務(wù)。

一個(gè)研究小組利用CRISPR-Cas9基因剪刀對一組豬胚胎進(jìn)行了20多個(gè)基因的改造，其中就包括編碼豬的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的基因，從而阻止了豬細(xì)胞表面的α-1，3-半乳糖產(chǎn)生，也就消除了豬器官上面的抗原，可以避免豬器官移植到人體時(shí)觸發(fā)免疫反應(yīng)。

另一個(gè)研究小組利用CRISPR-Cas9基因剪 刀編輯豬胚胎中的62個(gè)豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，讓這些病毒失活。這項(xiàng)工作非常重要，因?yàn)檫@些病毒嵌入在所有豬的基因組中，無法進(jìn)行處理或是被中和。由于擔(dān)心它們有可能給人類患者帶來疾病，豬器官遲遲不敢用于人類。

現(xiàn)在，由于解決了這兩個(gè)問題，即消除了引發(fā)免疫反應(yīng)的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶基因和豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，下一步將有可能把豬的器官移植給人。不過，在對人進(jìn)行移植前，還要通過動物試驗(yàn)來驗(yàn)證，例如，對狒狒和猴子移植經(jīng)過CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的豬的器官，如肺、心臟和肝臟。

美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)生已經(jīng)在做這種動物試驗(yàn)。他們從一頭經(jīng)過CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的成年豬身上摘下肺，移植給一只6歲的狒狒。未來，這一研究結(jié)果將會公布，以此論證，豬的器官是否可以移植給人。

大力士和天狗

除了豬與人的生理和代謝相似、器官大小差不多之外，狗與人的生理也比較接近，因此，研究人員一直希望建立狗的動物試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為人類服?wù)?，F(xiàn)在，CRISPR-Cas9基因剪刀的出現(xiàn)讓中國研究人員創(chuàng)造了一種特殊的狗，一只稱為大力士，一只稱為天狗。

中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的賴良學(xué)團(tuán)隊(duì)利用CRISPR-Cas9基因剪刀敲除狗的肌肉生長抑制素基因，以增強(qiáng)狗的肌肉能力，因?yàn)樵摶驅(qū)趋兰∩L具有抑制作用，被敲除后，肌肉生長發(fā)育能力就會增強(qiáng)。

研究人員最初利用CRISPR-Cas9基因剪刀對60多個(gè)狗胚胎進(jìn)行編輯，然后把胚胎植入母狗體內(nèi)孕育，誕生了27只小狗，但只有2只（一公一母）小狗的肌肉生長抑制素基因被敲除。肌肉生長抑制素基因被敲除的狗的肌肉在4月齡時(shí)就顯得比普通狗更為發(fā)達(dá)，研究組將兩只狗分別命名為大力士（公）和天狗（母）。

預(yù)計(jì)這種基因敲除狗在成年后將具有更強(qiáng)的運(yùn)動能力，適合狩獵以及軍事應(yīng)用。由于狗與人的代謝、生理以及解剖特征相似，這類由CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的狗會被用于治療人類的一些遺傳病，如帕金森病、重癥肌無力、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS，漸凍人癥）的試驗(yàn)。

過去，人們常在小鼠身上建立模型來探索和治療這類疾病，包括杜興氏肌萎縮。但是，由于小鼠較小，與人的生理狀況差別較大，用小鼠模型獲得的結(jié)果與人的差別也很大，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)才能用到人身上。現(xiàn)在，用CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的狗就能對治療肌萎縮側(cè)索硬化癥有直接的模擬作用。

CRISPR-Cas9基因剪刀不只是能編輯和產(chǎn)生上述新的動物，也已經(jīng)產(chǎn)生了基因編輯猴等動物。隨著這一技術(shù)的應(yīng)用，會有越來越多的基因編輯動物出現(xiàn)，既能為人類健康和治病服務(wù)，又能提供人類所需的各種生物產(chǎn)品。

【責(zé)任編輯】張?zhí)锟?