《破天機(jī)：基因編輯的驚人力量》評(píng)介

周洋 蘆躍

生物體的生、長(zhǎng)、衰、病、老、死等一切生命現(xiàn)象都與基因有關(guān)。它也是決定生命健康的內(nèi)在因素。生物世界的基本規(guī)律之一是演化，演化的核心機(jī)制是自然選擇，自然選擇的基本單位就是基因?；蛑С种幕緲?gòu)造和性能。儲(chǔ)存著生命的種族、血型、孕育、生長(zhǎng)、凋亡等過程的全部信息。組成基因組的分子叫作脫氧核糖核酸，即DNA。一整套人類DNA序列被稱作“人類基因組”，這個(gè)術(shù)語是由德國植物學(xué)家漢斯·溫克勒在1920年提出來的。人類的基因組有23個(gè)不同的片段組成，這些片段叫作染色體。細(xì)胞里的染色體通常包括兩個(gè)拷貝，一個(gè)來自父親，一個(gè)來自母親。

湖南科技出版社2020年11月出版的《破天機(jī)：基因編輯的驚人力量》引領(lǐng)閱讀基因編輯技術(shù)的過去、現(xiàn)在和未來。2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主杜德娜（Jennifer A. Doudna）和生物化學(xué)家塞繆爾·斯滕伯格（Samuel H. Sternberg）將個(gè)人敘事、科學(xué)數(shù)據(jù)與深刻的歷史視角結(jié)合起來，真實(shí)而清晰地還原了基因編輯的故事。這本書幫助你理解生命的未來，并思索生命的深意。

在分子層面上全面認(rèn)識(shí)人體構(gòu)造

遺傳信息儲(chǔ)存在DNA里，長(zhǎng)長(zhǎng)的DNA序列有四種堿基A、G、C、T排列組成，堿基A與堿基T配對(duì)，而G永遠(yuǎn)與C配對(duì)。不同的序列段記載不同的信息。有些段落含有制造蛋白質(zhì)的信息，這些段落就是我們常說的基因?；蛴袃蓚€(gè)鮮明的特點(diǎn)：一是能忠實(shí)地復(fù)制自己，以保持生物的基本特征;二是基因能夠“突變”，突變絕大多數(shù)會(huì)導(dǎo)致疾病產(chǎn)生，另外的一小部分是非致病突變。某些嚴(yán)重的疾病就是某段基因甚至整個(gè)染色體出現(xiàn)復(fù)制錯(cuò)誤或者完全丟失而引發(fā)的突變。20世紀(jì)90年代“人類基因組計(jì)劃”正式啟動(dòng)，開啟了人類在分子水平上認(rèn)識(shí)自身遺傳密碼的新航程。

在20世紀(jì)90年代，兩位紐約的病人被診斷患有“重癥復(fù)合免疫缺陷”（SCID），他們也被稱為“泡泡男孩”，因?yàn)樗麄儽仨毶钤跓o菌的塑料保護(hù)膜中，以避免接觸致病菌。如果得不到徹底隔離或者積極治療，重癥復(fù)合免疫缺陷患者往往在2歲前死去。但是，紐約的這兩位重癥復(fù)合免疫缺陷患者卻是幸運(yùn)兒：他們健康地挺過了青少年階段，長(zhǎng)到了成年?？茖W(xué)家找到了原因，他們的細(xì)胞都自動(dòng)糾正了致病的突變基因，而且修復(fù)過程沒有擾亂染色體上的其他基因。研究人員對(duì)此開展了一系列研究測(cè)試，得出的結(jié)論是：患者身體內(nèi)的染色體發(fā)生突然粉碎，然后重新修復(fù)，引起基因劇烈重排。幸運(yùn)的是，有一個(gè)造血干細(xì)胞，它可以通過無數(shù)次復(fù)制和再生，分化出各種血細(xì)胞。最終把患者免疫系統(tǒng)里的白細(xì)胞都替換成了健康細(xì)胞。就像一個(gè)軟件里含有一個(gè)錯(cuò)誤代碼——通過自發(fā)染色體粉碎和重排，刪除掉了錯(cuò)誤的代碼，而不損壞軟件的關(guān)鍵功能。這個(gè)過程正是體現(xiàn)了基因編輯的事實(shí)。但是，遺傳病自愈的概率微乎其微。這個(gè)案例為未來的醫(yī)學(xué)干預(yù)指明了一條可能的道路：我們可以主動(dòng)地、合理地更正基因中的突變基因，從而治療遺傳病。

在分子層面上全面認(rèn)識(shí)遺傳疾病

有了DNA測(cè)序技術(shù)，科學(xué)家才能閱讀并記錄人類的基因組，繼而查明許多疾病的病灶基因。自從20世紀(jì)70年代第一代測(cè)序方法出現(xiàn)以來，科學(xué)家闡明了許多遺傳病的分子機(jī)制。還有許多類型的遺傳病，其病因并不是基因缺失。對(duì)于這類疾病，單純地引入新基因并不會(huì)奏效。但對(duì)于難治型的遺傳病，醫(yī)生們需要做的就是修復(fù)缺陷基因，而不僅僅是替換掉他們。如果他們可以修復(fù)導(dǎo)致疾病的缺陷基因，就可以治療顯性與隱性基因疾病。

20世紀(jì)80年代初，猶他大學(xué)的一位教授馬里奧·卡佩奇，他發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因拷貝進(jìn)入到基因組的時(shí)候，他們嵌入的模式并不是隨機(jī)的，這些基因總是聚集在一個(gè)或幾個(gè)位置，彼此重疊，還要進(jìn)行無比復(fù)雜的混合、配對(duì)、重組，但細(xì)胞卻執(zhí)行得有條不紊。事實(shí)上，這個(gè)過程在所有的生物種類中都會(huì)發(fā)生。在卡佩奇的研究發(fā)表3年之后，科學(xué)家做到“誘使”細(xì)胞“認(rèn)為”重組DNA只是一段與它自身基因組配對(duì)的額外染色體，從而確保新DNA與本來的基因組融合在一起。這種基因操作的方法就是基因編輯。2003年，馬修·波特斯和大衛(wèi)·巴爾的摩首次在人類細(xì)胞中利用定制的鋅指核酸酶進(jìn)行了基因編輯。從此，基因編輯技術(shù)來治療遺傳疾病變得觸手可及。

在分子層面上開啟基因編輯

在諸多基因編輯的工具中，最新，也可能是最有效的，當(dāng)屬CRISPR-Cas9（簡(jiǎn)稱為CRISPR）。病毒是天然的殺手，億萬年來，細(xì)菌在與病毒經(jīng)久不息的鏖戰(zhàn)中，演化出了一套適應(yīng)性免疫系統(tǒng)：CRISPR。它的全稱是“規(guī)律間隔成簇短回文重復(fù)序列”。CRISPR可能就是細(xì)菌和古生菌中免疫系統(tǒng)的一部分，保護(hù)細(xì)菌不被病毒入侵。

CRISPR好像一把剪刀，它可以用20個(gè)字母精確鎖定一段DNA序列，進(jìn)而切開雙螺旋。CRISPR最簡(jiǎn)單的，也是最廣泛的應(yīng)用，是切開基因，進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞修復(fù)損傷。現(xiàn)在，有了CRISPR完整的工具箱，科學(xué)家?guī)缀蹩梢詫?duì)基因組的組成和基因表達(dá)進(jìn)行控制。無論是通過一刀剪切、多刀剪切或一刀都不切，科學(xué)家都有了無數(shù)的選擇。而且，科學(xué)家仍然在繼續(xù)優(yōu)化這些工具。CRISPR得以快速發(fā)展，真正的原因是它功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、使用方便。20世紀(jì)80年代，如果編輯單個(gè)基因的效率能達(dá)到1%，到了21世紀(jì)初，其效率提升到了接近10%。有了CRISPR，基因編輯技術(shù)變得格外強(qiáng)大。隨著CRISPR工具箱得到拓展，我們可以對(duì)基因組里的任何基因施加影響，從而找到新辦法來治療癌癥和遺傳病。目前科學(xué)家使用CRISPR編輯并修復(fù)了干細(xì)胞，使之可以分化成身體的其他細(xì)胞或者組織類型?？茖W(xué)家也使用CRISPR編輯了人類癌細(xì)胞中的上千個(gè)基因，這有助于發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)和新的治療方案。

在分子層面上應(yīng)用基因編輯

想象一下，在貨架上放幾個(gè)月都不會(huì)變壞的食物，能更好地應(yīng)對(duì)氣候變化的植物，不再傳播瘧疾的蚊子。這些生物聽起來像是天方夜譚，但事實(shí)上，有了基因編輯，他們正在逐漸變成現(xiàn)實(shí)?；蚓庉嬤€有別的應(yīng)用，有些聽起來像是科幻小說。許多研究組使用CRISPR來改造豬的基因，使它們更好地長(zhǎng)出人類的器官，從而解決移植器官短缺的問題。有些公司開始使用基因編輯技術(shù)來提供定制寵物，基因編輯過的迷你豬，只有小狗那么大。與傳統(tǒng)的育種方法相比，CRISPR技術(shù)使得科學(xué)家可以精確操作基因組了，這是前所未有的突破。2014年，中國科學(xué)院的研究人員使用了多種基因編輯工具——包括CRISPR，改寫了普通小麥里的6個(gè)Mlo基因，并且不用擔(dān)心有其他副作用。無論是基因敲除、基因改寫、基因插入或者基因刪除，科學(xué)家都可以精確地進(jìn)行操作。

阿道司·赫胥黎（Aldous Huxley）曾在小說《美麗新世界》（Brave New World）中虛構(gòu)了一個(gè)按基因等級(jí)排序的未來社會(huì)。赫胥黎把這個(gè)反烏托邦社會(huì)設(shè)定在2540年。但是，如果基因不平等以目前的速度發(fā)展下去，未來500年，類似CRISPR的技術(shù)對(duì)社會(huì)、對(duì)人類還會(huì)有哪些方面的影響？

CRISPR有巨大的潛力改變世界，包括消滅最嚴(yán)重的遺傳病，就好像疫苗徹底消滅了天花。設(shè)想一下，上千位科學(xué)家使用CRISPR技術(shù)研究癌癥，發(fā)現(xiàn)了新療法，甚至徹底攻克了這個(gè)頑疾。再設(shè)想一下，農(nóng)民利用CRISPR改造過的農(nóng)作物和動(dòng)物解決了全球饑餓的問題，并使它們更好地適應(yīng)氣候變暖。技術(shù)本身是無所謂善惡了，重要的是如何使用它們。這項(xiàng)新技術(shù)所蘊(yùn)含的巨大力量，可能出乎所有人的意料。我們可以用它來造福人類，而不是貽害后人。我們對(duì)于自然的好奇心引領(lǐng)我們前進(jìn)，但是，CRIEPR的故事也提醒我們，科學(xué)家和公眾需要一起為科學(xué)的前進(jìn)和科學(xué)結(jié)果負(fù)責(zé)。

該書不僅適合關(guān)心生命科學(xué)的人，也適用于社會(huì)科學(xué)的學(xué)者以及每個(gè)普通讀者來閱讀，因?yàn)檫@關(guān)乎所有人的未來，人人都將牽涉其中。

作者單位：湖南科技出版社