微生物送來的基因剪刀

陳朝

我們一直在嘗試編輯基因，這可是所謂生物遺傳的密碼。

病毒這兩個字，每一個都讓人恐懼。它們侵入細胞，將自己的遺傳物質注入其中，利用細胞內的環(huán)境復制自己，這個過程很可能導致細胞病變、死亡。但病毒并不在乎，或者說，病毒那些自私的基因并不在乎。它們唯一要做的就是復制自己，感染更多的細胞才能最大化自己的利益。

在這種戰(zhàn)爭中，另一方當然也不能示弱。比如我們人類，身體中有一套復雜的免疫系統(tǒng)幫助我們對抗病毒。但是，簡單的細菌和古細菌自己的身體僅僅是一個單獨的細胞，不像我們人類，用各種高度分化的細胞筑起了免疫的長城。果然，這些微生物在殘酷的生存競爭中也不會坐以待斃。

這就要從八十年代說起了，科學家在細菌的基因中發(fā)現了奇特的重復片段，這些基因看似對細菌的生存沒什么作用，卻大量地存在于多種細菌和幾乎所有古細菌的基因中。后來又發(fā)現，一些片段和噬菌體等病毒的基因近似，看起來，好像是病毒的基因混進了細菌的基因中。

這是一種無可奈何的基因混雜嗎？畢竟這些原始的原核生物和我們不一樣，缺乏細胞核等各種機制保護自己的基因。但這種有規(guī)律的基因片段恐怕不是一場生化混亂的結果?？茖W家從免疫的角度理解這些基因，就發(fā)現了它們神奇的作用。

原來這些基因被轉錄成RNA后，會和一種叫做Cas的蛋白共同作用，并能夠剪切掉和自己匹配的DNA。也就是說，細菌和古細菌攜帶了一段本來屬于病毒的DNA，這段DNA成了病毒的通緝令，一旦有病毒入侵，這些微生物就放出攜帶了通緝令的蛋白質，把病毒的DNA剪碎。

在和病毒的殘酷斗爭中，一旦細菌、古細菌能夠幸存，就把敵人的基因記錄下來，直接放置在自己的基因組中，等到下一次近似的外敵入侵，就能利用這個“記憶”放出一把剪刀。而且因為“記憶”位于基因組，這種能力還將遺傳給自己的后代。

科學家把這個系統(tǒng)命名為“規(guī)律間隔成簇短回文重復序列”（CRISPR），是一種后天獲得、還能遺傳給后代的免疫能力。

從八十年代發(fā)現這些奇特的DNA序列，到理解了它們的遺傳涵義，這之間一下耗費了二十年的時間。直到2005年我們才理解這種序列的免疫能力，并在之后理解了這些基因如何轉錄、又如何和Cas蛋白質結合變成一把自己尋找目標的剪刀。之后的事情就變得有趣了。

我們一直在嘗試編輯基因，這可是所謂生物遺傳的密碼。我們希望能夠給生物加入一些基因，讓他們獲得不同的能力，或者減掉某些基因，防止這些搗亂基因給我們帶來疾病。但是，先不說實現這些愿望，光是改變小白鼠、斑馬魚等動物的基因，CRISPR/Cas9就已經是一件稱手工具了。

可是編輯基因談何容易？基因是細胞生命的核心，細胞有一系列機制防止它們被各種外來因素改變，不僅有染色體等物質的保護，基因本身也是纏繞在一起的雙螺旋。我們不妨把基因的剪輯想象成剪輯膠片，只不過這一次，我們不能用眼睛看著膠片，因為這堆膠片還是纏繞在一起的一團亂麻。

于是，我們先是發(fā)現了基因上的一些位點可以用來剪切，但之前的幾種技術不僅耗時很長、價格昂貴，剪切的位點也有一些限制。此時CRISPR/Cas9技術來到了我們面前——一把自己尋找目標的剪刀。

想想看，CRISPR的能力是根據一段DNA，主動找到對應的DNA并將它解旋、剪斷，而基因編輯的第一步正是剪開基因。如果是基因敲除，只要剪開后等待基因自行修復，原有基因可能就失去了功能。如果想加入新的基因，那么剪開也是加入的第一步。于是，它就從一種微生物的免疫系統(tǒng)，變成了基因編輯的得力工具。

我們已經能夠制造Cas蛋白和引導生化反應需要的RNA，只要把想切割的基因做成片段植入到真核細胞生物內，它們就會自己在體內制造包含這些片段的“剪刀”。只不過這一次剪刀的目標不是入侵者的DNA，而是自己基因組中科學家需要剪開的DNA。這種技術一投入使用，立刻成了最熱門的基因編輯技術。

為什么呢？便宜和高效。以前的幾種技術需要特定的實驗室，周期在兩個月甚至更長，一次花銷在2500美元到7000美元之間。如今，任何實驗室只要購買Cas9等試劑就能開始工作，一單元的費用僅僅50到100美元，周期也可能縮短到兩周。而且，這個技術適用范圍非常廣，多種模式生物、細胞、組織都已經嘗試了用它來編輯基因。

一種廉價高效的基因編輯技術，一下點燃了很多希望：艾滋病的治愈、自閉癥、漸凍人、編輯免疫細胞、研制新藥……不僅在科研領域，醫(yī)療和工業(yè)界立刻意識到這種技術的妙用。

就在2015年，一名女孩利用基因編輯治愈了白血病。醫(yī)生取出她的免疫細胞進行改造，讓細胞能殺死癌細胞，又能抵擋住化療藥物。盡管這次治療沒有使用CRISPR/Cas9，但毫無疑問，如果能方便地編輯體細胞，激活或者關閉一些功能，可能就能催生一些魔法般的治療手段。

于是，2013年時科學界了解了CRISPR/Cas9，到了2015年，它已經成了科學新聞中的大明星?！犊茖W》雜志將它評選為年度十大科學事件，由互聯網大佬注資的科學突破獎也頒發(fā)給了發(fā)現這一機制的科學家。在新聞照片中，這些平時身著白大褂的學者換上了晚禮服，被一群明星大腕、億萬富翁簇擁在期間。

毫無疑問，科學家應該擁有這種榮譽，但這個畫面也讓我們知道，工業(yè)界敏感的嗅覺早就感到了這種技術蘊含的機會。

爭議自然也接踵而來。首先是發(fā)明人的爭端：《紐約時報》反復報道了詹尼佛·杜德娜（Jennifer Doudna），中文媒體則關注做出重大貢獻的麻省理工學院博士張鋒。這個偉大的科學成功是由多個科研小組從不同角度發(fā)現的，又經過許多學者的共同努力，才獲得了突破。

著名學者埃里克·蘭德（Eric S. Lander）在《細胞》上發(fā)表了《CRISPR的英雄們》一文，記敘了一場正在發(fā)生的科學發(fā)現史。他領導的Broad研究所還申請了包含CRISPR/Cas9系統(tǒng)載體和操作的專利。文章立刻引起了一些同行的怒火，人們發(fā)表了評論，認為蘭德在評價科學家時厚此薄彼，并不惜稱呼他為科學界的惡棍。至于專利，并不控制所有相關技術，引發(fā)的影響則有待觀察。

另一項爭端幾乎伴隨各種基因工程，那就是扮演上帝的指責。也許有些人對“上帝”這個詞無感，但CRISPR/Cas9確實把基因編輯變得非常簡單。

2014年，中山大學的科學家黃軍就團隊在《蛋白質與細胞》（Protein & Cell）上發(fā)表論文，利用這一技術改造了一枚人類受精卵，編輯了可能引發(fā)鐮刀形貧血的基因。考慮到實驗倫理問題，他們選取了不能正常發(fā)育的受精卵。

但是實驗的結果也揭示，CRISPR/Cas9技術很可能能夠在人類身上應用。而且，和過去很多研究依賴胚胎干細胞不同，利用這個技術編輯基因完全繞開了胚胎，卻可能引發(fā)新一輪倫理問題的爭論。

科學記者艾德·楊用機關槍對長矛來比喻CRISPR/Cas9對過去基因編輯技術的提升，提醒大家，這一技術已經不是實驗室和學術會議流傳的論文了，它帶來的好處和風險都需要我們關注。他在為《大西洋月刊》撰寫的文章中指出，即便是合乎情理也合乎法律的應用，我們還是對基因所知甚少。新技術對于一些嚴重疾病的患者可能是福音，但除了病痛，我們對老年癡呆癥這類疾病所知有限。

改造基因到底會為患者帶來什么？如何評估它的醫(yī)學風險？幾年前的人們還不需要面對這些問題。而現在，一把能夠自己找到目標的基因剪刀被送到了我們手中，能不能用好看來不光是科學界的事情了。