基因編輯技術(shù)改寫“生命天書”

湯波

基因編輯是最近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種新興生物技術(shù)。優(yōu)秀的園丁用一把輕便鋒利的剪刀，可以修剪出一株株美麗絕倫的花束;科學(xué)家用基因編輯工具，可以對(duì)任何生物的任何基因進(jìn)行任意的剪切和修飾，因此基因編輯工具也被人們形象地稱為“基因魔剪”。而基因編輯最令人期待的是在治療艾滋病、遺傳病和癌癥等惡性疾病方面的巨大應(yīng)用前景。

細(xì)菌的看家本領(lǐng)

研究發(fā)現(xiàn)，由于基因突變引起的人類遺傳病多達(dá)7000種以上，全世界遺傳病患者多達(dá)3.5億人。有些人攜帶突變的基因并不表現(xiàn)出病征，但他們的后代則可能要承受嚴(yán)重病痛的折磨，甚至失去生命，給后代和家庭帶來(lái)難以治愈的傷痛。

科學(xué)家們一直在尋找能解決這一痛苦的終極武器，希望將致病的突變基因“撥亂反正”;要么對(duì)攜帶者或患者本人的致病突變基因進(jìn)行修正，解除患者的痛苦;要么對(duì)父母性細(xì)胞的突變基因進(jìn)行修正，以防止他們的子女遺傳其致病基因，從而根除那些致命的遺傳病。

基因編輯技術(shù)示意圖

幾十年來(lái)，科學(xué)家苦苦尋覓，無(wú)奈收效甚微。直到近十幾年，科學(xué)家從細(xì)菌身上找到了一些“基因編輯”工具，讓這個(gè)根治人類遺傳病的美好愿景有望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。基因編輯技術(shù)其實(shí)是存在于細(xì)菌和古菌體內(nèi)的一種防御系統(tǒng)。病毒在感染細(xì)菌和其他生命體之后，會(huì)將病毒的遺傳物質(zhì)整合到宿主的基因組中，借助宿主的基因復(fù)制過程來(lái)繁衍自己的后代，這下可把宿主給害慘了，被病毒感染的宿主輕則大病一場(chǎng)，重則丟了小命。幾十億年來(lái)，病毒一直干著這種損人利己的事兒，踏著其他生物的尸體，壯大了自己的隊(duì)伍。為了對(duì)付病毒的侵襲，細(xì)菌和古細(xì)菌進(jìn)化出一種能對(duì)入侵病毒DNA進(jìn)行精準(zhǔn)刪除或改寫的本領(lǐng)，而這種本領(lǐng)正是基因編輯。

今天，基因編輯技術(shù)看起來(lái)似乎“無(wú)所不能”，其實(shí)它也是一步步不斷發(fā)展完善起來(lái)的。

接受基因編輯治療的1歲白血病女嬰菜拉

20世紀(jì)90年代，一種名為鋅指核酸酶（ZFN）的技術(shù)誕生了。鋅指核酸酶包括鋅指蛋白和核酸內(nèi)切酶兩個(gè)組成部分，前者負(fù)責(zé)識(shí)別基因組DNA中特異序列，相當(dāng)于word軟件中的“查找”工具，可以定位到某個(gè)特定詞語(yǔ)，后者則負(fù)責(zé)將DNA切斷，利用細(xì)胞自身DNA損傷修復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)目的基因的修飾，相當(dāng)于word軟件中的“剪切”工具，能輕松剪切掉這個(gè)特定詞語(yǔ)。由于ZFN技術(shù)能像Word軟件編輯文字一樣對(duì)目的基因進(jìn)行修改，較之前的同源重組技術(shù)大幅提高了基因敲除的效率，從而被稱為“第一代基因編輯技術(shù)”。隨后十多年里，它一直都在生物學(xué)界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

不過，ZFN技術(shù)并不能對(duì)基因組中任何位點(diǎn)進(jìn)行修改，脫靶效應(yīng)較高，也就是說(shuō)存在較多的非特異編輯，不僅構(gòu)建成本高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。到2009年，科學(xué)家們又開發(fā)出另一種與其類似的基因編輯技術(shù)體系，即類轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN）技術(shù)，這是第二代基因編輯技術(shù)。該技術(shù)只是將識(shí)別DNA序列的元件改為TALE 蛋白，雖然TALEN構(gòu)建起來(lái)確實(shí)比ZFN容易得多，不過同樣也存在較高的脫靶效應(yīng)。

2012年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家開發(fā)出一種全新的基因編輯技術(shù)，即2015年被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為十大年度科學(xué)突破之首的CRISPR/Cas9技術(shù)，這就是第三代基因編輯技術(shù)。不同的是，前兩種基因編輯技術(shù)的“查找”工具是酶類，設(shè)計(jì)和制作成本較高，而CRISPR/Cas9技術(shù)是用一種成簇的、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列的RNA來(lái)尋找靶向序列。由于設(shè)計(jì)和制作RNA比蛋白質(zhì)簡(jiǎn)單，不僅構(gòu)建成本得到大幅降低，而且可以精確到單個(gè)堿基，脫靶效應(yīng)也得到了極大的改善。這項(xiàng)技術(shù)迅速走紅起來(lái)，基因編輯技術(shù)也像“風(fēng)暴”一樣席卷整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域。在短短兩三年時(shí)間內(nèi)，幾乎所有常見的微生物、植物和動(dòng)物，甚至是人類細(xì)胞和胚胎，都可用這項(xiàng)技術(shù)加以遺傳改造，展現(xiàn)出各種令人驚喜的前景。其中，基因編輯技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是基因治療。

改造免疫細(xì)胞

現(xiàn)今的基因編輯療法主要有三種，第一種是利用基因編輯技術(shù)，將患者自身的免疫細(xì)胞、造血干細(xì)胞或其他細(xì)胞取出并加以修復(fù)，然后輸回到患者體內(nèi)，讓修復(fù)的細(xì)胞來(lái)治療艾滋病、白血病、癌癥等惡性疾病，療效顯著。

基因編輯免疫治療示意圖

據(jù)2014年3月的《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》披露，來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和美國(guó)Sangamo生物技術(shù)公司的研究人員進(jìn)行過一種實(shí)驗(yàn)，他們利用鋅指酶（ZFN）技術(shù)對(duì)艾滋病患者CD4-T細(xì)胞中的CCR5基因進(jìn)行編輯，并將這些基因編輯CD4-T細(xì)胞注射到12名艾滋病患者體內(nèi)。

為什么要對(duì)免疫T細(xì)胞的CCR5基因進(jìn)行編輯呢？據(jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道，一個(gè)攜帶艾滋病病毒十多年、后來(lái)患有白血病的德國(guó)男子蒂莫西·雷·布朗，在為治療白血病接受捐獻(xiàn)者的骨髓干細(xì)胞移植之后，體內(nèi)的艾滋病病毒竟然奇跡般消失了。從2006年到現(xiàn)在，布朗體內(nèi)幾乎檢測(cè)不到艾滋病病毒的遺傳物質(zhì)，這些病毒更未被復(fù)制。之后，醫(yī)生們給布朗停用了抗艾滋病藥物，并宣布布朗成為世界上第一個(gè)艾滋病徹底治愈者。后科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，在布朗所接受捐獻(xiàn)的骨髓干細(xì)胞中含有突變的CCR5蛋白，它能有效阻止艾滋病病毒的入侵，這是布朗能戰(zhàn)勝艾滋病病毒的最主要原因之一。之后，科學(xué)家們根據(jù)這一原理，利用基因編輯技術(shù)對(duì)免疫系統(tǒng)中T細(xì)胞或造血干細(xì)胞的CCR5基因進(jìn)行突變，期望建立一套像布朗一樣、可復(fù)制的艾滋病治愈方法。

被注射基因編輯CD4-T細(xì)胞一周后，患者血液中正常CD4-T細(xì)胞會(huì)大幅增加，多數(shù)患者的HIV DNA水平顯著下降，其中有一名患者血液中已檢測(cè)不到HIV RNA。隨著這一實(shí)驗(yàn)的成功，美國(guó)Sangamo生物技術(shù)公司已啟動(dòng)了對(duì)另外70位艾滋病患者的類似臨床試驗(yàn)，有望開辟一條治愈艾滋病的新途徑。

2015年11月5日，英國(guó)《自然》雜志報(bào)道了一個(gè)基因編輯技術(shù)治療白血病女嬰的案例。這個(gè)一歲的女嬰名叫萊拉，被診斷患有白血病，之前接受多次常規(guī)治療均告失敗。在無(wú)計(jì)可施之際，萊拉的父母同意倫敦大奧蒙德街醫(yī)院的醫(yī)生采用基因編輯新療法放手一搏。醫(yī)生們將事先經(jīng)TALEN編輯的健康捐獻(xiàn)者T細(xì)胞注射到萊拉血液中，很快萊拉的病情出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。之后，萊拉的主治醫(yī)生還計(jì)劃對(duì)另外10～12個(gè)白血病患者采取相同的治療方法。

基因編輯胚胎

2016年11月，四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤科主任盧鈾團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先開展了一例基因編輯技術(shù)治療轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌的臨床試驗(yàn)，以期建立肺癌治療新方法。另?yè)?jù)2018年1月23日?qǐng)?bào)道，杭州市腫瘤醫(yī)院吳式琇團(tuán)隊(duì)已對(duì)86名癌癥患者實(shí)施了CRISPR/Cas9基因編輯免疫治療，也就是用基因編輯技術(shù)改造患者自身的免疫細(xì)胞，然后將其輸回患者體內(nèi)，用來(lái)對(duì)付癌癥細(xì)胞。接受治療的人中，有些患者的癥狀得到顯著改善。

剪除遺傳病

第二種基因編輯療法是利用基因編輯技術(shù)，先將具有遺傳缺陷的生殖細(xì)胞或胚胎修正，再將這些修正后的胚胎移植到母親的子宮中，出生的嬰兒將不再遺傳父母所患的遺傳病。

2015年4月，我國(guó)中山大學(xué)黃軍研究團(tuán)隊(duì)首次在學(xué)術(shù)期刊《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》上公布了對(duì)人類胚胎進(jìn)行CRISPR/Cas9基因編輯的消息。不過，研究人員采用的是醫(yī)院丟棄的問題胚胎，并不能成功孕育出嬰兒。該研究的主要目的是對(duì)導(dǎo)致β型地中海貧血的突變基因進(jìn)行基因編輯，以研究治療或根除β型地中海貧血的可能性。

2016年4月，廣東醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院范勇博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)公開了第二例基因編輯人類胚胎的研究進(jìn)展。據(jù)他們發(fā)表在《輔助生殖與遺傳學(xué)期刊》的論文內(nèi)容顯示，從2014年4月至9月，研究人員從87名志愿者那里收集了213枚三原核受精卵。三原核受精卵屬于人工授精技術(shù)中不能正常發(fā)育成胎兒的問題胚胎，因此常被用于人類生殖的基礎(chǔ)研究。研究人員采用CRISPR/Cas9工具，對(duì)這些三原核受精卵中的基因CCR5進(jìn)行編輯，共獲得4個(gè)對(duì)HIV病毒抵抗力顯著增強(qiáng)的突變型胚胎，并在3天時(shí)間內(nèi)對(duì)這些胚胎進(jìn)行了銷毀。這項(xiàng)研究同樣引起了國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》、《科學(xué)》以及眾多媒體的廣泛關(guān)注。

2017年8月2日，英國(guó)《自然》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于人體胚胎基因編輯的論文，研究人員采用正常人的卵子和攜帶一種與遺傳性心臟疾病“肥厚型心肌病”有關(guān)的基因變異的精子體外受精，產(chǎn)生受精卵，在早期胚胎發(fā)育階段利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，成功修正了該基因突變。在此項(xiàng)研究中，約有70%的胚胎突變基因得到修正，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)相關(guān)技術(shù)，使基因編輯的效率提高到90%以上，甚至接近100%，屆時(shí)將推進(jìn)這一研究進(jìn)入臨床試驗(yàn)。研究人員聲稱，這是人類首次對(duì)人類胚胎進(jìn)行安全、準(zhǔn)確和有效的基因編輯。

目前，基因編輯技術(shù)還在A型和B型血友病、利伯氏先天性黑內(nèi)障、杜興氏肌肉營(yíng)養(yǎng)不良癥、β型地中海貧血癥、囊性纖維化病和α1-抗胰蛋白酶缺乏癥等遺傳病治療方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

當(dāng)然，對(duì)人類胚胎等生殖細(xì)胞進(jìn)行基因編輯還是存在巨大爭(zhēng)議，以生殖為目的的基因編輯仍然是絕對(duì)的研究禁區(qū)。2017年8月3日，美國(guó)人類遺傳學(xué)協(xié)會(huì)、英國(guó)遺傳學(xué)護(hù)士與咨詢師協(xié)會(huì)、加拿大遺傳咨詢協(xié)會(huì)、國(guó)際遺傳流行病協(xié)會(huì)和亞洲遺傳咨詢師職業(yè)協(xié)會(huì)等11個(gè)機(jī)構(gòu)，在《美國(guó)人類遺傳學(xué)雜志》上聯(lián)合發(fā)布了一項(xiàng)政策聲明，呼吁“謹(jǐn)慎而積極”地開展生殖細(xì)胞基因編輯，認(rèn)為應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)研究，但反對(duì)把這項(xiàng)技術(shù)用于生殖目的。

修復(fù)活體基因

上述基因編輯療法主要是在胚胎早期對(duì)基因進(jìn)行修正，但是對(duì)于那些已經(jīng)出生或長(zhǎng)大成人的遺傳病患者就愛莫能助了。幸好，科學(xué)家很快開發(fā)出了第三種基因編輯療法，這種療法將對(duì)遺傳病患者的突變基因進(jìn)行直接修復(fù)。

接受基因編輯活體治療的第一人

2017年11月，美國(guó)男子布萊恩·馬德成為第一個(gè)接受這種活體基因編輯治療的患者。馬德患有一種名為亨特氏綜合征的罕見遺傳病，該病的發(fā)病率為10～17萬(wàn)分之一，主要為男性患者。

每位亨特氏綜合征患者細(xì)胞內(nèi)都含有IDS基因致病突變，該基因原本負(fù)責(zé)合成一種可分解有毒碳水化合物的酶，一旦發(fā)生突變，則不能產(chǎn)生足夠有活性的酶，那么有毒物質(zhì)就會(huì)在肝臟等器官堆積，進(jìn)而引發(fā)器官衰竭，患者一般都活不過20歲。

科學(xué)家向馬德體內(nèi)注射一種含有腺相關(guān)病毒（AAV）、鋅指核酸酶（ZFN）和正常IDS基因的藥物。腺相關(guān)病毒負(fù)責(zé)將鋅指酶和正常IDS基因準(zhǔn)確遞送到馬德的肝臟細(xì)胞，到達(dá)肝臟細(xì)胞之后，鋅指酶則負(fù)責(zé)將馬德肝臟細(xì)胞IDS基因已突變的部分剪掉，換上正常的IDS基因。

科學(xué)家希望這種療法最終能修復(fù)馬德的肝臟細(xì)胞，讓其產(chǎn)生正常的酶類，從而分解有毒物質(zhì)。據(jù)科學(xué)家介紹，并不需要所有肝細(xì)胞都被修復(fù)，只需要1%的肝細(xì)胞被成功修復(fù)，馬德的亨特氏綜合征就將得到有效治療。

這些基因編輯技術(shù)的臨床治療是否能創(chuàng)造奇跡，且讓我們拭目以待。不過，一旦獲得突破，基因編輯將為那些飽受遺傳病、艾滋病、癌癥折磨的患者帶來(lái)新生的希望，也必將引領(lǐng)人類健康革命。