CRISPR基因編輯技術(shù)因何受關(guān)注

蔡立英/編譯

CRISPR基因編輯技術(shù)因何受關(guān)注

蔡立英/編譯

●2007年，一家酸奶公司發(fā)現(xiàn)了一種出人意料的細(xì)菌防御病毒入侵的機(jī)制，CRISPR由此孕育并于2012年真正問世。如今，CRISPR已經(jīng)成為一個(gè)分子奇跡，不只是生物學(xué)家，全世界很多人都在關(guān)注榮登《科學(xué)》雜志2015年度科學(xué)突破榜首的CRISPR基因編輯技術(shù)。

CRISPR此前曾在2012年和2013年兩度入選《科學(xué)》雜志年度十大科學(xué)突破榜單，不過每次都與其他基因編輯技術(shù)一起打包當(dāng)選亞軍，而今年CRISPR從中脫穎而出，顯示出它在一系列驚人成就中的真正威力。有兩個(gè)顯著的例子：一個(gè)例子是打造科學(xué)家探求已久的“基因驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)，能消滅害蟲或蟲媒疾病，另一個(gè)例子是首次成功修改人類胚胎的DNA，該成果榮登各大新聞?lì)^條，引起國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注。上述每一項(xiàng)研究進(jìn)展都攪亂了科學(xué)政策。修改人類胚胎DNA的研究成果（由中國(guó)科學(xué)家用醫(yī)院廢棄的不能存活的胚胎完成），甚至推動(dòng)了2015年12月一個(gè)研討人類基因編輯倫理問題的國(guó)際峰會(huì)的召開。該國(guó)際峰會(huì)面臨一個(gè)令人擔(dān)憂的前景：改變?nèi)祟惖木?、卵子或早期胚胎，以修正致病基因或增進(jìn)健康。正如峰會(huì)討論中一位遺傳學(xué)顧問打趣道：“當(dāng)我們做不到修改人類基因的時(shí)候，我們可以很容易地說我們不應(yīng)該這么做?！?/p>

到底是什么讓CRISPR與眾不同？其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——稱為鋅指核酸酶和TALENs（轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶）的定制蛋白質(zhì)，同樣可以精確改變選中的DNA序列，而且已經(jīng)有一些公司利用這兩種基因組編輯技術(shù)在臨床試驗(yàn)中用于治療目的。但是實(shí)踐證明，CRISPR更容易、更便宜。推動(dòng)鋅指核酸酶基因組編輯技術(shù)發(fā)展的先鋒、美國(guó)鹽湖城猶他大學(xué)的達(dá)娜·卡羅爾（Dana Carroll）說，CRISPR帶來了“基因打靶的民主化”。美國(guó)斯坦福大學(xué)的生物倫理學(xué)家漢克·格里利（Hank Greely）把CRISPR比作福特T型車：雖然并非第一輛汽車，但是因其生產(chǎn)的簡(jiǎn)易性、功能的可靠性和價(jià)格的低廉性而帶來了社會(huì)變革，這個(gè)比喻被最近一期的《紐約客》雜志引用。“任何想做CRISPR的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室都能做到?！惫鸫髮W(xué)的喬治·丘奇（George Church）說，他的實(shí)驗(yàn)室是世界上最先高效地編輯人類和其他真核細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室之一。

非盈利組織Addgene已經(jīng)分發(fā)了大約5萬個(gè)質(zhì)粒（環(huán)狀DNA分子），這些質(zhì)粒包含了CRISPR兩個(gè)基本組件的遺傳密碼，一個(gè)是用來靶向特定的DNA序列的“向?qū)NA”，另一個(gè)是DNA切割酶，或叫核酸酶，CRISPR用的通常是稱為Cas9的核酸酶?！八鼘⑾馪CR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）一樣，成為基因工程工具箱中的一種強(qiáng)大工具。”美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）說，她的團(tuán)隊(duì)與現(xiàn)在柏林馬克斯普朗克傳染病生物學(xué)研究所工作的伊曼紐爾·查朋特（Emmanuelle Charpentier）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)表了CRISPR能切除特定靶DNA的第一篇論文。

他們的研究工作得出一個(gè)令人吃驚的觀察結(jié)果，即細(xì)菌能記住病毒。為了尋找一種機(jī)制來解釋這個(gè)現(xiàn)象，研究人員找到了從過去感染中殘留下來的病毒基因，夾在奇怪的重復(fù)的細(xì)菌DNA序列之間，形成所謂的“成簇規(guī)則間隔的短回文重復(fù)序列”，CRISPR由此得名。病毒的基因碎片起到了感染記憶庫(kù)的作用：細(xì)菌可從中創(chuàng)造出向?qū)NAs，定向?qū)ふ业皆俅稳肭值牟《綝NA，然后用核酸酶敲除這些病毒基因。一旦理解了這一基因編輯機(jī)制，杜德納和查朋特等人就競(jìng)相使CRISPR技術(shù)適用于高等生物的DNA編輯。

一股應(yīng)用CRISPR技術(shù)的狂流隨之而來，其中的一個(gè)應(yīng)用——用CRISPR技術(shù)打造的“基因驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)，是表明基因組編輯技術(shù)的威力和潛在風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)案例。2003年，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的進(jìn)化生物學(xué)家奧斯汀·伯特（Austin Burt）預(yù)見了把人們期望的一個(gè)特性的基因添加到能從染色體的一個(gè)位點(diǎn)自我復(fù)制到另一個(gè)位點(diǎn)的“自私的”DNA分子中。攜帶這一特性的家長(zhǎng)的孩子將傾向于得到遺傳，從而使這一特性在人群中快速擴(kuò)散。2015年早些時(shí)候，一個(gè)美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)就讓CRISPR技術(shù)適用于這個(gè)目的，獲得了比奧斯汀·伯特最先預(yù)見的更大的成功。

在一個(gè)預(yù)示性的被稱為“突變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的方法中，美國(guó)研究人員把色素沉積特性驅(qū)動(dòng)到實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的果蠅中，遺傳給下一代的有效性是97%。后來，他們與另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，打造了一個(gè)基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用這種系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因蚊子群體中擴(kuò)散抗瘧原蟲的基因。數(shù)周后，伯特及其同事對(duì)另一種攜帶瘧疾的蚊子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，報(bào)告了相同的研究結(jié)果，即通過基因驅(qū)動(dòng)，使得導(dǎo)致雌性不育的基因在轉(zhuǎn)基因蚊子群體中擴(kuò)散，從而迅速消滅了該種群。現(xiàn)在，圍繞把這些經(jīng)過基因驅(qū)動(dòng)的昆蟲釋放到野生環(huán)境中帶來的好處和生態(tài)學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，以及基因驅(qū)動(dòng)是否也能阻止亞洲鯉魚和甘蔗蟾蜍等入侵物種，或是抗擊導(dǎo)致萊姆病的病原體等其他動(dòng)物病原體，大家展開了激烈爭(zhēng)論。

在其他實(shí)驗(yàn)室，研究人員利用CRISPR技術(shù)創(chuàng)造了數(shù)量越來越多的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和植物：肌肉發(fā)達(dá)的獵犬、抗多種病毒的豬和抗真菌小麥。還有保鮮更久的西紅柿、沒有過敏原的落花生和可作為清潔生物燃料的白楊，都在研制之中。CRISPR技術(shù)能干凈利落地完成基因編輯而不留下任何外來DNA，不像早期用于轉(zhuǎn)基因生物的技術(shù)存在外來DNA殘留，其如何被使用對(duì)轉(zhuǎn)基因生物管理提出了挑戰(zhàn)。

CRISPR技術(shù)還有很多很多應(yīng)用。通過研制Cas9的滅活版本，科學(xué)家們消除了CRISPR系統(tǒng)的DNA切割能力，但保留了它找到靶DNA序列的本領(lǐng)。把分子添加到Cas9上，CRISPR系統(tǒng)突然變成了一個(gè)多功能的精確的運(yùn)載工具。例如，已經(jīng)有若干個(gè)研究團(tuán)隊(duì)給滅活的Cas9配備各種調(diào)節(jié)因子，使得它們幾乎能激活或抑制任何一個(gè)基因或輕微改變基因的活性水平。在2015年的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，由另一位CRISPR技術(shù)的先鋒——美國(guó)馬薩諸塞州劍橋布羅德研究所的張峰領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，靶向了大約兩萬個(gè)已知人類基因，在基因組中逐一激活每個(gè)基因，以確定哪些基因?qū)σ环N黑色素瘤藥物產(chǎn)生抗藥性。

CRISPR技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值正剛剛開始顯現(xiàn)。臨床研究者已經(jīng)將其應(yīng)用到研制基于組織的治療癌癥和其他疾病的療法。CRISPR技術(shù)也可能讓奄奄一息的動(dòng)物器官移植到人的概念復(fù)活。很多人害怕潛伏在動(dòng)物基因組內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄病毒會(huì)損害器官移植接受者，但是有一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR技術(shù)一次性敲除雜亂散布在豬基因組中的一個(gè)逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA的62個(gè)拷貝。如果社會(huì)膽敢跨過很多人認(rèn)為的倫理禁區(qū)去改變?nèi)祟惿诚?，那么?duì)于CRISPR技術(shù)用于修復(fù)人類胚胎基因缺陷的前景，科學(xué)家們?cè)诨蚓庉媷?guó)際峰會(huì)上展開了很多討論。

簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)在只要科學(xué)家能想象出一種基因操縱，CRISPR就能讓你夢(mèng)想成真，現(xiàn)在我們這么說也不算多夸張。在人類基因編輯國(guó)際峰會(huì)上，查朋特曾用“驚心動(dòng)魄”一詞形容CRISPR的神通廣大。事實(shí)的確如此。不管結(jié)果好壞，我們現(xiàn)在都生活在CRISPR的世界里。

評(píng)選花絮

《科學(xué)》雜志網(wǎng)站訪問者在年度十大科學(xué)突破榜單上投票，得票前五位是：“新視野號(hào)”探測(cè)冥王星(35%)；CRISPR基因剪刀（20%）；淋巴系統(tǒng)延伸至中樞神經(jīng)系統(tǒng)（15%）；研制埃博拉疫苗（10%）；心理學(xué)研究可重復(fù)性/量子糾纏（6%）。

2015年是公眾通過網(wǎng)絡(luò)參與年度十大科學(xué)突破評(píng)選的第二年，最終的榜單則是由《科學(xué)》雜志“年度重大科學(xué)突破”欄目團(tuán)隊(duì)敲定的。最終榜單在網(wǎng)民投票結(jié)果中排名也靠前，反映出《科學(xué)》雜志編輯團(tuán)隊(duì)的深思熟慮。CRISPR很早就飆升到領(lǐng)先地位，因?yàn)橐俗⒛康臅?huì)議和雜志文章都把公眾注意力聚焦到基因組編輯技術(shù)上。當(dāng)“新視野號(hào)”探測(cè)器在2015年7月近距離飛掠冥王星時(shí)，冥王星成為媒體寵兒，不過在年度突破榜單上還是落在第二名。

但是，隨著“新視野號(hào)”探測(cè)器的科學(xué)家們用他們的微博動(dòng)員投票、發(fā)起Twitter閃電戰(zhàn)，這顆矮行星開始挽回頹勢(shì)。在決戰(zhàn)回合中，冥王星最終稱心如意地在網(wǎng)民票選中領(lǐng)先于CRISPR。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：彥隱]