揭秘基因編輯與基因治療

□華中師范大學(xué)生命科學(xué)院 羅 勤

眾所周知，目前人類許多疾病都來源于基因缺陷，如先天性遺傳性疾病、某些惡性腫瘤等，此類基因疾病往往是天生的、罕有的，甚至沒有相關(guān)藥物治療。這類疾病將來有沒有可能得到根治？生命科學(xué)領(lǐng)域最火爆的基因編輯技術(shù)，為我們給出了肯定的回答：基因編輯與基因治療為徹底治愈先天性遺傳病、腫瘤、艾滋病及其他惡性疾病開辟了全新的路徑。

什么是基因編輯技術(shù)？多數(shù)人的知識基礎(chǔ)僅限于知道 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)這個層次，所以筆者不自量力來解說一下這種火爆的技術(shù)，以及近期進(jìn)展神速的基因治療，希望能對基因編輯與基因治療感興趣的讀者有所啟發(fā)。

基因編輯如同word文檔

1866年，一位名叫孟德爾的奧地利學(xué)者在進(jìn)行豌豆雜交試驗時，發(fā)現(xiàn)一些可以遺傳母代特征的因子，它們決定了豌豆表皮是光滑的還是褶皺的，為黃色還是綠色。至此，人類踏上了探索基因的旅途。在這漫長的150年中，科學(xué)家認(rèn)識到基因的結(jié)構(gòu)、突變、化學(xué)成分、功能……基因?qū)τ谏飦碚f就像是大自然譜寫的代碼，在DNA不朽的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，它們神奇的排列組合造就了今日獨具特色的個體。

人類的DNA是一個長長的雙螺旋鏈條，如同一把扭曲的梯子，又類似一本厚厚的書，基因便是嵌在上面的字母（A、T、C、G）。這些字母經(jīng)過排列組合，形成特定的基因片段，這些片段決定了我們的特征——身高、瞳孔顏色甚至是壽命。但是有些基因的排列會發(fā)生“錯誤”，它讓我們很容易患上某種嚴(yán)重的疾病，因此科學(xué)家們嘗試通過基因編輯來糾正有缺陷的基因，如同作家潤飾一篇文章中的敗筆。

基因編輯，就像在word文檔中修改一兩個詞語，我們需要通過查找工具鎖定這些詞語的位置，選中，刪除，接著在同樣的地方輸入我們想要的內(nèi)容，最后點擊“保存”按鈕，便完成了詞語的修改。同樣地，科學(xué)家們利用一些蛋白質(zhì)（如鋅指蛋白、TALE 蛋白）或者RNA來搜索目標(biāo)基因組，鎖定“有問題”的那段基因，然后利用核酸內(nèi)切酶等手段進(jìn)行切割，形成DNA雙鏈斷裂。若DNA鏈中出現(xiàn)某個缺口，細(xì)胞本身天然修復(fù)機制會盡力修復(fù)它，但也可以由科學(xué)家們復(fù)制理想中的基因片段，將它們連接到斷開的DNA鏈之間。這樣，基因編輯基本就完成。

以上過程不難理解，基因編輯核心步驟有3個主要環(huán)節(jié)——

1.“GPS”：基因編輯首先要精確識別目標(biāo)DNA片段中的靶點——核苷酸序列，即鎖定“有問題”的那段基因，能夠“指哪打哪”。這樣就需要有特異識別目標(biāo)DNA的 “GPS”來引導(dǎo)，讓基因編輯工具可以快速而準(zhǔn)確地定位想要編輯的位點。

2.“剪刀”：在 GPS導(dǎo)航下完成定位以后，就需要有一把剪刀來切斷DNA雙鏈，形成切口，這把剪刀就是各種各樣DNA核酸酶。

3.“針線”：如前所述，剪開切口之后，無論是敲除、插入還是置換，隨后都需要再把切口“縫上”，這個過程是由細(xì)胞內(nèi)天然存在的DNA雙鏈斷裂修復(fù)機制來實現(xiàn)，或者植入由科學(xué)家們復(fù)制的理想基因片段。

基因治療的3種方式

對于由基因突變引起的疾?。ㄌ貏e是單基因疾?。?，一個很容易想到的治療方法就是將致病基因替換掉或者向體內(nèi)補充健康基因。類似的治療早在1990年代就已經(jīng)比較廣泛地開展嘗試，然而在缺少精確基因編輯手段且對病毒等載體研究不夠充分的年代，因免疫排斥反應(yīng)以及脫靶導(dǎo)致癌變等重大事故頻發(fā)，使得基因治療一度從高峰陷入低谷。隨著基因編輯和病毒轉(zhuǎn)染技術(shù)（特別是AAV）的逐漸成熟，近十年來基因治療又開始逐漸回暖，似乎已經(jīng)到了開花結(jié)果的時候。

如今，對于因為基因突變而引發(fā)的疾病，基因治療有下述3種方式——

1.體外編輯

體內(nèi)細(xì)胞既然因為突變而喪失功能甚至癌變，那么一個簡單的方法就是把細(xì)胞在體外“修好”再回輸?shù)襟w內(nèi)，就可以修復(fù)原先受損的功能。最典型的例子就是近幾年火爆的 CAR-T 技術(shù)（體外用病毒轉(zhuǎn)染T細(xì)胞，使其具備識別腫瘤表面某些特異性蛋白的功能），以及體外編輯干細(xì)胞等。這種方法好處是可控，畢竟編輯發(fā)生在體外，編輯完可以篩選，改得好就拿到體內(nèi)用，改得不好還可以扔，不太容易出問題；壞處是在致病機制復(fù)雜或者研究不夠深入的情況下效果一般。如CAR-T技術(shù)，目前只對血液瘤效果好，就是因為血液瘤微環(huán)境比較簡單；而干細(xì)胞治療之所以進(jìn)展不大，就是因為干細(xì)胞相關(guān)疾病的微環(huán)境往往很復(fù)雜，改造干細(xì)胞回輸體內(nèi)之后并不能發(fā)揮預(yù)想的作用。

2.體內(nèi)游離DNA表達(dá)

對于某些因為基因突變而導(dǎo)致一些特定蛋白缺乏所引起的疾?。ū热缛R伯氏先天性黑蒙癥、血友?。粋€直接的思路就是把可以表達(dá)相關(guān)蛋白的基因“種”到體內(nèi)，但不“種”到基因組中，而是游離在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行表達(dá)，最典型的就是目前已經(jīng)獲批的幾種病毒轉(zhuǎn)染基因療法（如FDA批準(zhǔn)的治療遺傳性眼疾的基因藥物“Luxturna”）。這種方法好處是相對安全，畢竟改變基因組往往是不可逆的，萬一出現(xiàn)危險的脫靶后果就比較嚴(yán)重（這也是上世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)多個死亡案例的原因）。壞處主要有二：一個是游離的病毒DNA還是有概率插入到正?；蚪M中，而這種插入是沒有定位的是隨機的；另一個是可能會隨著細(xì)胞分裂逐漸消耗掉，不像基因組中DNA那樣在分裂中有穩(wěn)定復(fù)制，其治療可能不夠長效。

3.體內(nèi)基因組編輯

這應(yīng)該是基因治療方法中最被寄予厚望的，即用基因編輯技術(shù)直接在體內(nèi)對突變的目標(biāo)DNA 進(jìn)行修改，消除致病基因，恢復(fù)機體功能。這種方法好處是有可能根治疾病，比如，亨特氏綜合征或A型血友病患者，就是體內(nèi)無法正常表達(dá)艾杜糖醛酸鹽-2-硫酸酯酶（IDS）或凝血八因子，那么把IDS或八因子基因插入到基因組中，就有可能終身都能正常表達(dá)；壞處上面說過了，安全性是最大的疑慮。

整體而言，基因編輯及其治療都是前景巨大的技術(shù)，也是未來最重要的生物領(lǐng)域發(fā)展趨勢，科學(xué)和商業(yè)價值都不可限量，但同時我們也不應(yīng)忽視目前存在的巨大隱憂和局限性。所以，無論是“基因編輯技術(shù)將徹底治愈癌癥”，還是“基因治療危險性巨大”，這兩類極端言論都有失公允。