圖解基因編輯

淺草

2018年11月26日，來(lái)自中國(guó)深圳的一組學(xué)者向外界公布，一對(duì)名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒于11月在中國(guó)健康誕生。她們的基因已經(jīng)過(guò)人為修飾，能夠天然抵抗艾滋病。露露和娜娜是世界首例基因編輯嬰兒。

據(jù)了解，領(lǐng)導(dǎo)這一試驗(yàn)的學(xué)者是來(lái)自南方科技大學(xué)學(xué)者賀建奎。此前，他們?cè)谡心家恍┓驄D，希望通過(guò)針對(duì)他們的孩子CCR5這個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行基因編輯，從而讓這些夫婦的后代能夠抵抗HIV、天花以及霍亂等疾病。

什么是基因編輯？

具體來(lái)說(shuō)，就是生物學(xué)家利用基因編輯技術(shù)把DNA上有害的基因剪除，或者用好的基因替換，或者添上一個(gè)有特殊用途的基因。這樣就可以治療某些疾病，或者得到一些稀奇古怪的東西，比如發(fā)著熒光的線蟲(chóng)，身上背著一只耳朵的小鼠等等。

既然是編輯，還得有工具。我們文字編輯，過(guò)去用的工具是筆和紙，現(xiàn)在是電腦上的Word軟件;而生物學(xué)家編輯DNA，使用最多的則是一種叫CRISPR的基因編輯術(shù)。

細(xì)菌傳授給我們基因編輯術(shù)

說(shuō)起這個(gè)強(qiáng)大而價(jià)廉的基因編輯術(shù)，還得感謝小小的細(xì)菌。它們是我們的老師。在生命進(jìn)化史上，CRISPR是細(xì)菌和病毒進(jìn)行斗爭(zhēng)的免疫武器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，病毒為了繁衍，把自己的基因整合到宿主細(xì)菌的DNA上，利用細(xì)菌復(fù)制自己的基因，而細(xì)菌為了將病毒的入侵基因清除，進(jìn)化出CRISPR。利用它，細(xì)菌可以不動(dòng)聲色地把病毒基因從自己的DNA上切除。

不過(guò)，人類(lèi)學(xué)會(huì)CRISPR的基因編輯術(shù)，也才僅僅是6年前的事情。如今它已是分子生物學(xué)家手頭必備的工具。從改變老鼠皮毛的顏色，到設(shè)計(jì)不傳播瘧疾的蚊子和抗蟲(chóng)害作物，再到修正鐮狀細(xì)胞性貧血等各類(lèi)遺傳疾病等，無(wú)不留下它的身影。

但是目前，CRISPR的基因編輯術(shù)在人身上還是用得相當(dāng)謹(jǐn)慎的。一般情況下是從人身上摘取一些細(xì)胞，編輯它們的DNA，然后將細(xì)胞放回人體，讓它們細(xì)胞分裂，壯大“隊(duì)伍”。例如，這種方法正被生物學(xué)家用來(lái)改造人的免疫細(xì)胞，使它們能識(shí)別和殺死癌細(xì)胞。

如何傳送編輯工具？

在體外編輯細(xì)胞，然后置回體內(nèi)，這相對(duì)容易，但對(duì)于人體的大多數(shù)組織來(lái)說(shuō)，摘取細(xì)胞就不容易，更遑論置回去了。所以，最好是能夠直接在體內(nèi)編輯細(xì)胞，而不是取出來(lái)編輯。

但完成這項(xiàng)任務(wù)，最大的挑戰(zhàn)是如何將CRISPR編輯工具傳送到體內(nèi)。CRISPR編輯術(shù)至少需要兩樣工具：一樣是切割DNA用的蛋白，另一樣是引導(dǎo)該蛋白到DNA切割點(diǎn)上的RNA片段。RNA片段上的堿基序列是跟DNA上要切割的基因匹配的。一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，RNA片段就會(huì)自動(dòng)搜尋細(xì)胞DNA上與它匹配的堿基序列，然后讓切割蛋白“下手”切割。但切割蛋白和RNA都比標(biāo)準(zhǔn)的藥物分子要大得多，容易被細(xì)胞膜擋在外面，很難把它們滲入細(xì)胞內(nèi)。而且，通常也不能通過(guò)直接注射達(dá)到目的，因?yàn)樗鼈儠?huì)被免疫細(xì)胞攻擊，不能在血液中存活。

美國(guó)麻省英特利亞公司的研究人員想出一種辦法。他們把兩樣CRISPR工具包裹在脂肪顆粒里，然后注射到血液中。在一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)這種方式，他們成功地把CRISPR工具輸運(yùn)到小鼠肝臟細(xì)胞內(nèi)，讓一種導(dǎo)致罕見(jiàn)遺傳病的基因失效。

英特利亞公司還在研發(fā)一種治療乙型肝炎的方法。乙型肝炎在全世界范圍內(nèi)約有2.5億感染人群，而且乙肝病毒很難清除，因?yàn)椴《镜腄NA可以逗留在肝細(xì)胞中，但CRISPR工具可以破壞乙肝病毒的DNA。

讓金納米顆粒和病毒傳送

把CRISPR工具運(yùn)輸?shù)礁闻K還是相對(duì)比較容易的，因?yàn)樽⑸涞窖褐械娜魏挝镔|(zhì)都能到達(dá)肝臟。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)完成了一項(xiàng)更困難的壯舉：通過(guò)將攜帶CRISPR工具的金納米顆粒，不經(jīng)過(guò)血液，直接注射到肌肉中，來(lái)治療小鼠的肌肉萎縮癥。

肌肉萎縮癥也是由基因缺陷引起的，霍金的漸凍癥就是這種病。雖然注射進(jìn)去的CRISPR工具僅能修復(fù)5%的肌肉細(xì)胞，但這足以增強(qiáng)小鼠的肌肉力量，而且重復(fù)注射可以提高修復(fù)細(xì)胞的比例?？上Щ艚鹨呀?jīng)去世，如果他身上5%的肌肉細(xì)胞恢復(fù)正常，估計(jì)說(shuō)話和動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)，是不會(huì)有問(wèn)題的。

華盛頓大學(xué)的科學(xué)家甚至通過(guò)注射攜帶CRISPR工具的一種病毒來(lái)治療小鼠的肌肉營(yíng)養(yǎng)不良。作為CRISPR工具之一的切割蛋白，可以通過(guò)這種病毒的DNA在體內(nèi)合成，這樣就不必從外面輸送了。病毒進(jìn)入人體有缺陷的細(xì)胞后，把自己的DNA嵌入細(xì)胞的DNA上，隨著細(xì)胞分裂，病毒的DNA也不斷被復(fù)制。

但是，用病毒遞送CRISPR工具存在很大的安全隱患。當(dāng)病毒DNA插入人體細(xì)胞后，它在數(shù)周內(nèi)會(huì)持續(xù)制造切割蛋白;切割蛋白太多，就增加了人體細(xì)胞DNA在不該切割的地方被切割的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決這個(gè)弊端，瑞士洛桑大學(xué)的科學(xué)家又開(kāi)發(fā)出一種防止切割蛋白過(guò)剩的方法。他們能夠使制造切割蛋白的病毒基因在一段時(shí)間后失效。在一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，他們不僅成功剪除了小鼠身上導(dǎo)致亨廷頓病的基因，而且沒(méi)留下不良影響（如果切割蛋白過(guò)剩，會(huì)留下后遺癥）。

更重要的是，他們成功地在動(dòng)物大腦關(guān)鍵區(qū)，讓65%的腦細(xì)胞不受治療用的病毒的影響。因?yàn)橐谴竽X受影響，那副作用就太大了。

回到基因編輯嬰兒

雖然CRISPR治療目前主要還是在動(dòng)物身上嘗試，但這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展太快，在人們還沒(méi)準(zhǔn)備好的時(shí)候，就已經(jīng)應(yīng)用到嬰兒身上了。賀建奎團(tuán)隊(duì)這次所實(shí)施的基因手術(shù)，剪除的是CCR5基因。CCR5是一個(gè)負(fù)責(zé)免疫的基因，但它表達(dá)出來(lái)的蛋白質(zhì)存在一個(gè)“漏洞”，這個(gè)漏洞會(huì)成為人體感染艾滋病的通道。

但自然界中有極少數(shù)人（主要是北歐人的后裔）的CCR5基因變異成了CCR5Δ32，導(dǎo)致CCR5蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異?；蛘呷笔?，那么艾滋病感染人體的漏洞自然也就消失了。也就是說(shuō)，他們天然會(huì)對(duì)R5型艾滋病免疫。這些天然免疫艾滋病個(gè)體的基因成為了科學(xué)家學(xué)習(xí)和模仿的樣本。

露露和娜娜被實(shí)施這次手術(shù)的原因是，她們是試管嬰兒，父親有艾滋?。ǖ赣H沒(méi)有），父母擔(dān)心艾滋病病毒會(huì)遺傳給下一代，因此決定同意在受精卵時(shí)期交由賀建奎醫(yī)學(xué)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行基因編輯，這個(gè)團(tuán)隊(duì)采用“CRISPR/Cas9”基因編輯技術(shù)，把Cas9切割蛋白和特定的RNA引導(dǎo)序列，用5微米（約頭發(fā)二十分之一細(xì)）的針注射到還是單細(xì)胞的受精卵里，在受精卵的CCR5基因上敲掉了32個(gè)堿基對(duì)，使其變成CCR5Δ32，從而獲得對(duì)艾滋病的抵抗能力。

未來(lái)，我們可以用CRISPR基因編輯術(shù)治療大量的疾病，它必將在醫(yī)學(xué)上引起一場(chǎng)新的革命，也會(huì)引起長(zhǎng)期的巨大倫理爭(zhēng)議。