CRISPR：具有劃時(shí)代意義的基因編輯工具

編譯 毛毛熊

這種新型技術(shù)是治療遺傳疾病的關(guān)鍵所在，并且可能是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)。

講述一個(gè)看不見摸不著并且很難用語言解釋的事情對(duì)于我們來說相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性?？v觀人類歷史，下面要提到的這個(gè)故事“主角”在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有劃時(shí)代意義。它被稱為CRISPR，全稱為成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列（Clusterd Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）。CRISPR聽起來更像是一個(gè)冷藏室，而不像是一個(gè)基因編輯技術(shù)，但是它卻實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家之前朝思暮想之事——輕松編輯DNA——允許科學(xué)家重新編輯生物的遺傳密碼。這種能力開啟了治愈遺傳疾病的可能性。一些研究人員甚至試圖利用這個(gè)技術(shù)來糾正人類胚胎發(fā)育中的缺陷基因從而預(yù)防人類遺傳疾病。為親眼所見，比爾·惠特克（Bill Whitaker）去采訪了一位身處CRISPR熱潮中的科學(xué)家。

惠特克：這就是CRISPR?

張鋒：這里面就有CRISPR。

惠特克: 所以這就是對(duì)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)具有劃時(shí)代意義的工作？

張鋒：這就是目前很多科學(xué)家在研究工作中使用的技術(shù)，部分科學(xué)家正在嘗試將其開發(fā)為治療癌癥的新手段。

惠特克：聽起來太瘋狂了！

張鋒：沒錯(cuò)。

這項(xiàng)小小的技術(shù)正在引發(fā)一場可能改變未來疾病醫(yī)治方式的大革命。這項(xiàng)技術(shù)背后隱藏了無數(shù)個(gè)具有創(chuàng)新理念的科學(xué)家，其中之一就是長著一張娃娃臉的張鋒。

36歲的張鋒已經(jīng)是麻省理工學(xué)院的終身教授和科學(xué)名人，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一種利用CRISPR技術(shù)來重構(gòu)人類基因密碼的方法。

惠特克：所以，CRISPR技術(shù)不是液體，CRISPR技術(shù)是在……

張鋒：CRISPR技術(shù)溶解在液體中，可能會(huì)有數(shù)十億個(gè)CRISPR的小分子。

張鋒正在與記者比爾·惠特克交談

惠特克：數(shù)十億？

張鋒：沒錯(cuò)！我們利用它的方式是將液體涂抹在細(xì)胞上。

過去7年，張鋒一直在馬薩諸塞州坎布里奇市博德研究所從事CRISPR的研究工作。這里是一個(gè)研究者的圣地，匯集著來自哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的一些頂尖科學(xué)家，這些科學(xué)家都在從事著與疾病作斗爭從而造福人類的工作。CRISPR技術(shù)使得醫(yī)學(xué)研究變得更快、成本更低廉同時(shí)使獲得結(jié)果更容易。張鋒的同事預(yù)測這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)幫助人類最終戰(zhàn)勝癌癥和神經(jīng)退行性疾病等。

大約有6 000種以上的疾病是由于基因缺陷引起的，我們希望通過我們的工作能夠治愈大多數(shù)與遺傳相關(guān)的疾病。

惠特克：大約有多少種疾病可以使用這種技術(shù)來獲得治療？

張鋒：大約有6 000種以上的疾病是由基因缺陷引起的。我們希望能夠通過這項(xiàng)技術(shù)使得大多數(shù)疾病獲得治療。

惠特克：大多數(shù)？為什么不是全部呢？

張鋒：全部疾病通過這項(xiàng)技術(shù)獲得治療是我們長期的目標(biāo)。

惠特克：像亨廷頓這樣的疾病？鐮狀細(xì)胞貧血癥？

張鋒：是的，肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥和血友病都算。

艾瑞克·蘭德（Eric Lander）：我認(rèn)為CRISPR技術(shù)可能是21世紀(jì)迄今為止最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，或許是最為重要的發(fā)現(xiàn)。

為了搞清楚CRISPR的機(jī)制，惠特克去找蘭德。蘭德給惠特克上了一堂科普課。蘭德目前任職博德研究所主任，也是張鋒的導(dǎo)師。他在科研領(lǐng)域最廣為人知的成就是作為人類基因組計(jì)劃項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

蘭德：在參與人類基因組計(jì)劃項(xiàng)目期間，我們能夠測出所有人類的DNA。幾年之后我們還發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致人類疾病的DNA錯(cuò)誤序列，但是我們對(duì)于這些錯(cuò)誤序列無能為力。后來發(fā)現(xiàn)細(xì)菌居然有辦法來修復(fù)這些錯(cuò)誤序列。

惠特克：這些令人振奮的發(fā)現(xiàn)來自細(xì)菌？

蘭德：是的。縱觀其一生，細(xì)菌都面臨著各種各樣的問題。為了應(yīng)對(duì)各種問題，它們有一套獨(dú)特的解決方案。當(dāng)它們被病毒感染時(shí)，它們會(huì)保留一部分的DNA，并用這一部分DNA來喚醒自己。這些細(xì)菌體內(nèi)有個(gè)叫作CRISPR的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠識(shí)別這部分的DNA，并在周圍繼續(xù)搜尋，并且這個(gè)系統(tǒng)會(huì)提醒自己：“如果我再次看到這些受到感染的DNA片段，我就把這些片段截?cái)嗲械??！?/p>

張鋒使用細(xì)菌中的CRISPR系統(tǒng)來編輯人體細(xì)胞中的DNA。我們?nèi)梭w的DNA由縮寫為A、T、C、G的4個(gè)堿基組成。正如你在麻省理工學(xué)院張鋒的實(shí)驗(yàn)室中所看到的那樣，在這些基因指令中引起疾病的突變就像是一個(gè)錯(cuò)別字。如果科學(xué)家們能夠識(shí)別出這些“錯(cuò)別字”該多好！進(jìn)而他們嘗試改編CRISPR系統(tǒng)來糾正這些錯(cuò)誤。

惠特克：你改編的？

張鋒：沒錯(cuò)。

惠特克：CRISPR系統(tǒng)會(huì)在上百萬的DNA堿基序列中穿梭，準(zhǔn)確地定位到你處理的堿基？

張鋒：完全正確。CRISPR系統(tǒng)能夠讓你做很多事情，你可以剪切這些堿基，同時(shí)也可以編輯這些堿基。

惠特克：所以你能夠剪切掉這些與疾病相關(guān)的堿基，同時(shí)加入你想要的堿基？

博德研究所主任艾瑞克·蘭德正在與記者惠特克進(jìn)行交談

裝有 CRISPR的離心管

張鋒：是的。你可以給這些細(xì)胞一套全新的遺傳密碼，這些遺傳密碼將會(huì)攜帶那些你想整合進(jìn)入細(xì)胞基因組的新序列。

惠特克：真是太了不起了！

張鋒：這的確很酷。

惠特克：世界上還有多少其他的實(shí)驗(yàn)室也在從事類似CRISPR的研究工作嗎？

張鋒：還有很多。我們一直在做的一項(xiàng)工作就是讓相關(guān)研究人員一直能夠使用這個(gè)技術(shù)。迄今為止，我統(tǒng)計(jì)了一下，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在61個(gè)國家，2 200個(gè)實(shí)驗(yàn)室中被使用超過45萬次。

惠特克：他們使用這個(gè)技術(shù)來做什么呢？

張鋒：CRISPR可以用在很多方面，這項(xiàng)技術(shù)就像是生物界的瑞士軍刀，無所不能。

我們來看看全球生物界使用CRISPR技術(shù)的狂潮。在加州大學(xué)，科學(xué)家們使用一種CRISPR技術(shù)來編輯蚊子的基因，使得它們無法傳播瘧疾；同樣在加州大學(xué)，另一些科學(xué)家在修改大米的基因，使得它們能夠更好地抵御洪水和干旱；在中國，科學(xué)家在小獵犬身上調(diào)整了一個(gè)基因，使得它們的肌肉更加結(jié)實(shí)和發(fā)達(dá)。

一個(gè)盛裝有張鋒實(shí)驗(yàn)室CRISPR的離心管被送到張康博士那里。他是加州大學(xué)圣地亞哥分校的一名眼科醫(yī)生和醫(yī)學(xué)教授。

惠特克：當(dāng)你第一次聽到CRISPR技術(shù)時(shí)，你當(dāng)時(shí)是什么樣的感覺？

張康：我有點(diǎn)懷疑。

惠特克：為什么會(huì)懷疑？

張康：很多科學(xué)家利用這個(gè)技術(shù)在生物體內(nèi)順利完成實(shí)驗(yàn)，這難以置信。

張康博士打算對(duì)患有視網(wǎng)膜色素變性的小鼠進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這是一種遺傳性的失明癥。他對(duì)患有這種疾病的小鼠模型進(jìn)行了視力測試。

惠特克：這些都是失明的小鼠嗎？

張康：是的。這些小鼠都患有遺傳性的失明癥。而且，很顯然你可以直接看到這些小鼠在動(dòng)物行為學(xué)測試中的表現(xiàn)，它們都看不到旋轉(zhuǎn)的條紋。

研究人員將CRISPR系統(tǒng)注射入另外一只失明小鼠的眼睛，這些注射入小鼠體內(nèi)的CRISPR系統(tǒng)技術(shù)被改編為去發(fā)現(xiàn)與遺傳性失明相關(guān)的主要基因，并將這個(gè)基因關(guān)閉。這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要3個(gè)月才能看到結(jié)果。

張康：現(xiàn)在讓我們看看這只小鼠是如何對(duì)光線做出反應(yīng)的。

惠特克：這個(gè)小鼠正在根據(jù)光線的變化做出反應(yīng)。

張康：是的。

惠特克：看那里，你確信這只小鼠看到了這些燈光嗎？

張康：這是動(dòng)物行為學(xué)測試中非常常用的視力測試方法。

惠特克：它們的視力恢復(fù)了大約多少？

張康：對(duì)于小鼠來說，大約恢復(fù)了30%～50%。

張康博士的下一個(gè)研究目標(biāo)是測試CRISPR系統(tǒng)如何在與我們?nèi)祟惤墑?dòng)物中實(shí)現(xiàn)其功能。他給我們發(fā)送了一段視頻，這段視頻展示了他在中國實(shí)驗(yàn)室的研究工作，在那里他研究了患有色素性視網(wǎng)膜炎的猴子。失明的猴子往往忽略身旁的食物。那只猴子接受了CRISPR的治療后，我們很容易看出它與其他猴子的差異。張康博士希望盡快在人體中開展相同的測試工作。

如果CRISPR技術(shù)用于疾病的治療或者制造藥物，這就意味著可以賺取巨額的利潤。博德研究所和張鋒博士持有CRISPR技術(shù)在美國人體細(xì)胞中使用的主要專利。但是沒有任何技術(shù)能夠憑空被發(fā)現(xiàn)。加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)為CRISPR技術(shù)發(fā)現(xiàn)做出了有里程碑意義的工作。

近日，她與張鋒博士和博德研究所對(duì)簿公堂，她堅(jiān)持認(rèn)為張鋒的發(fā)現(xiàn)源于她的團(tuán)隊(duì)所做的突破性工作。很多預(yù)測顯示CRISPR技術(shù)在未來10年內(nèi)的市場價(jià)值將高達(dá)數(shù)十億美元。

惠特克：這對(duì)你意味著巨大的生意和利潤嗎？

張鋒：我認(rèn)為我們現(xiàn)在對(duì)CRISPR技術(shù)的發(fā)展和利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有進(jìn)入真正的治療領(lǐng)域。

惠特克：我認(rèn)為你有點(diǎn)謙虛。我是說這項(xiàng)技術(shù)引發(fā)了生物醫(yī)學(xué)方面令人難以置信的熱潮，而你身處這個(gè)熱潮的中心。

張鋒：我認(rèn)為仍然還有很多工作需要完成。我們需要把這個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，使其足夠高效，同時(shí)確保這個(gè)系統(tǒng)在使用時(shí)足夠安全。這些工作都是我們目前面臨的挑戰(zhàn)，我們還需要繼續(xù)努力才能實(shí)現(xiàn)。

雖然這個(gè)技術(shù)目前還不能阻止一些人死于致命的疾病，但是在未來的十年和幾十年內(nèi)CRISPR技術(shù)將會(huì)顯現(xiàn)其真正的實(shí)力。

但是，如果這個(gè)技術(shù)已經(jīng)能夠阻止疾病的發(fā)展了呢？雖然這聽起來像科幻小說，但位于俄勒岡州波特蘭市的一個(gè)研究小組發(fā)表聲明說，利用CRISPR技術(shù)已經(jīng)使得阻止疾病的發(fā)生成為現(xiàn)實(shí)。

惠特克：你們?cè)谏淖畛蹼A段就糾正了遺傳序列的錯(cuò)誤。

以舒哈拉特·米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）：是的。

惠特克：胚胎還在子宮中發(fā)育的階段？

米塔利波夫：甚至是胚胎在子宮中發(fā)育之前的階段我們就介入了。

胚胎技術(shù)一直是米塔利波夫科研生涯中的焦點(diǎn)。他在俄勒岡州健康和科學(xué)大學(xué)開設(shè)了一個(gè)胚胎細(xì)胞和基因治療中心。米塔利波夫是一位特立獨(dú)行的人，他經(jīng)常利用其創(chuàng)新的甚至是有爭議的方法來預(yù)防人類的遺傳疾病，這使得他經(jīng)常成為新聞?lì)^條人物。

米塔利波夫：在疾病發(fā)作之前進(jìn)行預(yù)防才是一種高效處理辦法，一旦預(yù)防到位就不會(huì)再發(fā)作，特別是在我們討論遺傳性的疾病時(shí)。因此，米塔利波夫和一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)決定在人類胚胎中使用CRISPR技術(shù)來糾正導(dǎo)致致命性心臟?。ǚ屎裥托募〔。┑膯位蛲蛔?。

他們從患有這種疾病的男性身上獲得了精子，同時(shí)從捐獻(xiàn)者那里獲得健康的卵子。在卵子受精的同時(shí)，他們向受精卵注射了CRISPR。為了便于觀察，米塔利波夫使用顯微鏡程序使得受精卵放大了300多倍。

米塔利波夫：在顯微鏡下我們看到移液器中的精子。這些精子已經(jīng)暴露于CRISPR溶液中。另外一側(cè)是卵子，所以我們需要做的就是穿破卵膜，讓卵子受精。瞧，現(xiàn)在精子正在與卵子匯合。

惠特克：你已經(jīng)改變了胚胎的基因命運(yùn)。

米塔利波夫：我們相信是這樣的。

這些胚胎不會(huì)被移植進(jìn)入子宮，它們會(huì)在孵化器中被觀察3天，然后檢查這些胚胎是否攜帶疾病相關(guān)基因。

通常情況下，這些胚胎會(huì)有50%攜帶致病基因。米塔利波夫說，使用了CRISPR技術(shù)完成基因的改造后，72%胚胎不會(huì)攜帶導(dǎo)致心臟病的基因突變。

惠特克：這是一個(gè)科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的巨大進(jìn)步。

米塔利波夫：我們希望如此。不過，我認(rèn)為我們還處于這項(xiàng)技術(shù)的早期階段。

米塔利波夫知道他的試驗(yàn)結(jié)果在被科學(xué)界接受之前必須由其他實(shí)驗(yàn)室重復(fù)出來。但是如果他們能夠堅(jiān)持下去，終究有一天CRISPR技術(shù)可以用來幫助一代代都遭受遺傳疾病困擾的家庭。

惠特克：這就是你做這件事的動(dòng)力？

米塔利波夫：是的，當(dāng)然了。這些孩子們?cè)馐芡纯?，孩子的父母?duì)我說過：“我把這個(gè)疾病傳給了我的孩子。這就像是我給孩子造了這種疾病一樣?！蔽蚁氍F(xiàn)在我們有一個(gè)技術(shù)可以幫助這些不幸的家庭。

米塔利波夫目前也有顧慮，就是他的研究已經(jīng)為那些不負(fù)責(zé)任的醫(yī)生設(shè)計(jì)了藍(lán)圖——編輯胚胎基因進(jìn)而使嬰兒更聰明、更高大、更強(qiáng)壯。不過米塔利波夫也表示，目前看起來還不太可能。

惠特克：你的批評(píng)者認(rèn)為你在扮演上帝的角色。

米塔利波夫：我認(rèn)為，每一種治療疾病的方法都在扮演著上帝的角色。上帝給了我們大腦，所以我們可以找到一種方法來消除罹患疾病的人的痛苦。

惠特克：那么你怎么看待通過編輯胚胎基因來預(yù)防疾??？

張鋒：我們還不太了解生物的復(fù)雜程度。例如，我們知道有一個(gè)叫做PCSK9的基因，如果你敲除這個(gè)基因，可以顯著減少人類罹患心血管疾病及心臟病的風(fēng)險(xiǎn)。但是最近研究也顯示，這同時(shí)會(huì)增加人類罹患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)。這種情況你怎么來做平衡決斷呢？而且可能還會(huì)有其他對(duì)人類未知的影響存在，而我們還無法確定。所以，我認(rèn)為對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的使用我們需要耐心并保持謹(jǐn)慎。

蘭德：我認(rèn)為我們還沒有做好準(zhǔn)備使用這項(xiàng)技術(shù)來編輯人類的基因。不過，我想終究有一天我們會(huì)把這項(xiàng)技術(shù)用于藥物研發(fā)進(jìn)而治療人類疾病。我認(rèn)為這是緊迫的問題，這也是人們現(xiàn)在想要的。

這些亟待解決的問題很快就會(huì)有答案。美國一項(xiàng)小規(guī)模的臨床試驗(yàn)正在招募患者，這是美國歷史上首例使用CRISPR技術(shù)治療某些類型癌癥的臨床試驗(yàn)。