華東師范大學李大力教授：基因編輯前景廣闊，但也要守住倫理道德底線

(AME出版社)

圖1 李大力教授

李大力教授，PhD，華東師范大學生命科學學院研究員，博士生導師，基金委杰出青年基金獲得者。2007年獲湖南師范大學遺傳學博士學位，畢業(yè)后在華東師范大學工作至今。現(xiàn)為華東師范大學生命醫(yī)學系主任主任，上海市調(diào)控生物學重點實驗室副主任。

多年來通過優(yōu)化創(chuàng)新基因編輯技術，圍繞罕見病的模型構建和基因治療，開展了深入研究。開發(fā)了精度和活性更高的新型胞嘧啶堿基編輯器(命名為：hyCBE)和新型雙功能堿基編輯器(命名為：A&C-BEmax)等多種堿基編輯系統(tǒng)，以血友病和β地中海貧血等單基因遺傳病為模型，建立了基于基因編輯技術的遺傳病基因治療新策略。迄今，共發(fā)表SCI論文90余篇，作為通訊作者在Nature Biotechnology，Nature Cell Biology，PNAS和Cell Research等高水平期刊發(fā)表論文30多篇。

圖2 李教授在眼科中心進行學術分享

圖3 李教授在眼科中心進行學術分享

圖4 李教授在眼科中心進行學術分享

《眼科學報》：作為基因編輯領域研究的先鋒之一，您能跟我們分享一下目前血友病(hemophilia)和β型地中海貧血(thalassemias)等單基因疾病基因編輯技術的研究進展嗎？

李大力教授：基因編輯治療β型地中海貧血的技術，在國際和國內(nèi)的進展都非?？?。2020年12月在《新英格蘭醫(yī)學雜志》(New England Journal of Medicine)發(fā)表了CRISPR Therapeutics公司通過CRISPR基因編輯技術，用靶向BCL11A基因的紅系增強子，重新激活胎兒血紅蛋白生成的策略，分別在一個β型地中海貧血和鐮刀型貧血(sickle-cell disease，SCD)成年患者中進行了經(jīng)基因編輯的自體造血干細胞移植治療的文章。文中提到，在為期一年半左右的跟蹤研究中，患者完全擺脫了輸血依賴，獲得了非常好的治療效果。而在2020年底的美國血液學會(American Society of Hematology，ASH)上，該公司報道了10位患者的數(shù)據(jù)，在接受治療后，所有患者的血紅蛋白總水平都“正?；蚪咏！?。由于在臨床上的出色表現(xiàn)，CRISPR技術治療遺傳性貧血癥的工作也被美國《科學》雜志評為2020年十大科學突破。眾所周知，CRISPR Therapeutics的聯(lián)合創(chuàng)始人之一、CRISPR技術的主要發(fā)明名人埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)，與詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)共同獲得了2020年諾貝爾化學獎。

2020年，我們?nèi)A東師范大學團隊與湘雅醫(yī)學院合作，采用CRISPR技術編輯患者自體造血干細胞，開展了“經(jīng)γ珠蛋白重激活的自體造血干細胞移植治療重型β型地中海貧血安全性及有效性”的臨床研究。兩位受試者分別為7歲和8歲的兒童，均為輸血依賴的重型β型地中海貧血患者，通常2～3周需要接受一次輸血。他們在接受治療到目前為止約9個月的時間內(nèi)，只在造血干細胞移植后的1個月內(nèi)接受了一次輸血。目前血紅蛋白水平已經(jīng)完全恢復正常，擺脫了輸血依賴，取得了非常顯著的治療效果。值得一提的是，其中1例是β0/β0型重度地貧患者，是全球第一例用CRISPR技術治療的最嚴重基因突變型的地中海貧血患者。

血友病方面，我們課題組也是最早使用CRISPR-Cas9基因編輯的方法來開展B型血友病臨床前研究的團隊。我們在2016年發(fā)表的一篇論文中報道了通過Cas9激活的位點特異性同源重組，修復凝血因子九(F9)基因中的致病堿基突變，在小鼠模型中觀察到了長久的療效。

相比于傳統(tǒng)的基因替代療法存在的持久性問題，基因編輯理論上有可能一次治療終身獲益。其實早在2015年，美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)已經(jīng)批準了桑加莫生物制藥公司(Sangamo Therapeutics,Inc.)利用鋅指核酸酶(ZFN)定點整合凝血因子九基因來治療B型血友病的臨床研究。雖然該療法在2016被FDA授予孤兒藥資格，但是還沒有臨床數(shù)據(jù)公布。

從我個人的角度來看，在動物模型中通過基因編輯在肝細胞中定點整合凝血因子基因有不錯的效果，但是要應用到臨床還有一定的難度，主要還是同源重組的效率不夠高，而患者中的基因導入效率也是一個大的問題。不過從整個基因治療的應用來說，血友病是相對容易突破的疾病，它對于基因編輯的效率要求沒那么高。我們之前的工作就證明，動物體內(nèi)只要0.5%～1%的修復率就能達到好的療效。

當然，基因編輯治療血友病，更多的還是通過腺相關病毒載體(Adeno-Associated Virus，AAV)過表達的基因替代療法，最近國際上也有很多進展。有的研究團隊發(fā)現(xiàn)在跟蹤了2～3年之后，B型血友病患者的凝血因子活性仍然很高，把出血事件概率降低了95%以上。而A型血友病的基因治療就相對困難，因為凝血因子八(F8)基因片段非常大，無法包裝進AAV載體，即便通過序列優(yōu)化，B-domain缺失的F8也已經(jīng)達到AAV包裝上限。所以受限于病毒包裝等問題，A型血友病的基因替代療法雖然在臨床上也看到了顯著的療效，但是受試者在隨訪的3年內(nèi)，凝血因子活性呈持續(xù)下降的趨勢，其長期療效看上去不是很樂觀。

《眼科學報》：您和您的團隊開發(fā)了精度和活性更高的hyCBE和A&C-BEmax等多種單堿基編輯系統(tǒng)，您能跟我們分享一下在開發(fā)過程中的遇到的一些困難以及您和您的團隊是如何解決的嗎？

李大力教授：在hyCBE和A&C-BEmax開發(fā)的實際工作中，并沒有碰到太多技術上的困難，我們更多的壓力是來自于國際上的競爭。因為基因編輯技術應用前景十分廣闊，各個國家都非常重視。而基因編輯最大的難度在于研發(fā)性能提升的原創(chuàng)工具，可以說是“兵家必爭之地”。

開發(fā)基因編輯工具，我們能想到，其他國際上的同行未必就想不到。怎么樣在最短的時間內(nèi)，通過最大量、最真實的數(shù)據(jù)，最快速地完成基因編輯工具的性能鑒定，做出最終成果并發(fā)表出來，才是我們需要解決的最大問題。

我們后續(xù)可以看到，在A&C-BEmax這個雙堿基編輯器的研發(fā)方面，與我們同期在《自然-生物技術》(Nature Biotechnology)雜志發(fā)表的還有另外三個課題組的類似工作，所以競爭非常激烈。在研發(fā)過程中，我們可以說投入了百分之百的精力，最終憑借團隊在基因編輯領域研究的多年經(jīng)驗和成熟的技術體系，保障了以理論上最短的時間內(nèi)完成了這些工作。

《眼科學報》：動物模型作為基礎研究的一種很重要的研究手段，在您看來它的構建還有哪些可以進一步優(yōu)化的地方？

李大力教授：目前動物模型的構建技術，還是能較好地滿足現(xiàn)有的基因編輯研究需求。比方說，用CRISPR-Cas9在動物胚胎中做基因敲除，或者是引入點突變來制備動物模型，在成熟的實驗室是一個常規(guī)的技術，基本上可以一次性成功。

但是要進行大片段DNA的替換、整合或者整合超過3kb的外源基因片段，效率就比較低了。如果未來基因編輯底層工具能有更多的改進，實現(xiàn)高效精確的大片段DNA整合，那將更好地提高復雜基因修飾動物模型構建的效率。

《眼科學報》：我們都知道從事基因編輯基礎研究的最終目的是應用到臨床治療具體的疾病，但是從動物模型過渡到臨床應用需要大量的驗證，并且存在倫理問題，2018年深圳的“基因編輯嬰兒”事件就因為倫理問題引發(fā)了巨大的爭議。目前是否有一些疾病已經(jīng)被批準可以通過基因編輯來治療了呢？

李大力教授：2018年的“基因編輯嬰兒”事件，我最初看到的時候以為是炒作之類的不實信息，后面核實之后，感到非常意外。因為對于生命醫(yī)學研究人員來說，大家都很清楚倫理的底線在哪里。國際國內(nèi)也有明文的規(guī)定不能將人類胚胎體外培養(yǎng)超過14天，更加不能將基因操作過的人類胚胎植入人或任何其它動物的生殖系統(tǒng)。這是不可觸碰的紅線。雖然目前人類基因的基礎研究進行了很多年，但是我們對每一個基因的具體功能是不清楚的，對于基因編輯工具的具體性能也是不完全了解的，即便用最先進的方法來檢測基因編輯是否脫靶，也不能百分之百保證基因操作不會有其他的問題。如果人為地改變?nèi)祟惿臣毎蛘吲咛サ幕蚪M，導致遺傳基因的改變，對整個人類而言是非常危險的。

并且這個事件從基因治療的概念上來說也行不通。因為艾滋病患者生育小孩可以通過輔助生殖等多種手段阻斷病毒傳播。雖然趨化因子受體5(C-C chemokine receptor type 5，CCR5)是HIV的共同受體之一，但在胚胎中將其敲除在理論上也是不可取的。因為CCR5這個基因在人體的其他正常功能尚不明確，敲除之后對人體會產(chǎn)生多大的影響，目前都是未知的。所以，人類生殖細胞或者胚胎的基因編輯是非常需要注意的，而可遺傳的人類基因改造是生物與醫(yī)學研究人員不能觸碰并且要共同守住的倫理道德底線。

在HIV治療方面，2019年，陳虎、鄧宏魁和吳昊團隊在《新英格蘭醫(yī)學雜志》發(fā)表研究，通過CRISPR技術敲除健康供者造血干細胞中的CCR5基因，為一名患有HIV-AIDS和急性淋巴細胞白血病(T細胞型)的患者進行了骨髓移植。證明了經(jīng)基因編輯后的成體造血干細能在人體內(nèi)長期穩(wěn)定的造血系統(tǒng)重建，這個治療手段不會造成可遺傳的基因改變，我覺得是一個非常理性的方法。

基因編輯CRISPR-Cas9技術從發(fā)明到應用也才幾年時間，發(fā)明時間較長的鋅指核酸酶技術目前還達不到CRISPR-Cas9的效率。雖然也有團隊開展鋅指核酸酶技術的臨床研究，但是沒有看到特別突出的成果。目前為止，僅有幾個疾病的基因編輯治療研究被FDA批準進行臨床實驗，其中包括β型地中海貧血和先天性黑矇癥等。所以現(xiàn)在基因編輯治療疾病仍處在臨床前或者臨床研究階段，還沒有真正獲批的基因治療藥物。

《眼科學報》：在您目前主持的課題中，有關于先天性或者遺傳性視神經(jīng)萎縮的研究，未來視神經(jīng)萎縮會成為您的主要研究方向嗎？

李大力教授：目前我們在這方面的研究還不是很成熟，因為在視神經(jīng)里導入基因有很大的難度。我們嘗試過腺相關病毒載體玻璃體腔注射等手段，感染效率都比較低，對視神經(jīng)萎縮的治療研究還是很有挑戰(zhàn)。

不過通過這個課題，我們建立了一些遺傳性視神經(jīng)萎縮的動物模型，也在開展進一步的驗證實驗和表型分析。如果未來進行眼睛相關的研究，我們更多會考慮靶向視網(wǎng)膜色素細胞或者通過視網(wǎng)膜下腔注射導入基因的方式來進行治療的研究工作。

《眼科學報》：從您多年的科研實踐出發(fā)，您覺得我國的基因編輯技術目前在國際上處于一個什么樣的水平？

李教授：我們國家的基因編輯技術，在國際上處于比較領先的水平。我國在基因編輯領域有一定的投入，加上國內(nèi)研究人員的興趣濃厚，在文章發(fā)表和專利申請數(shù)量上，中國僅次于美國。從基礎研究或者基因編輯工具的開發(fā)來看，雖然我們沒有開發(fā)很多完全意義上的概念性創(chuàng)新的基因編輯工具，但是我們在堿基編輯、新的CRISPRCas9工具的發(fā)現(xiàn)和鑒定方面，已經(jīng)取得了很大的進步。

最近幾年，隨著國內(nèi)的細胞治療、基因治療的商業(yè)化程度越來越高，從基礎到臨床的研究，我們跟美國差不多是同步的，實踐上的差距已經(jīng)非常小了。從應用的角度，特別是基因編輯在植物上應用，眾所周知，我們國家處于一個比較領先的地位。

當然，希望未來我們能發(fā)明更多概念性創(chuàng)新的基因編輯工具，解決大片段高效精準整合的難題，這樣可以進一步拓展基因編輯技術的應用場景。