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全新基因编辑技术引发研究领域巨变

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核心提示:CRISPR正在生物医学研究领域引起一场巨变。不像其他基因编辑手段,它使用起来廉价、迅速且简单,并因此席卷全球实验室。研究人员希望利用它调整人类基因以消除疾病,创造生命力更加顽强的植物,并且消灭病原体。

全新基因编辑技术引发研究领域巨变

图片来源:Sbastien Thibault

美国旧金山格莱斯顿研究所遗传学家Bruce Conklin一直试图找到DNA变异如何影响不同的人类疾病,但使用的工具有些笨重。当他研究来自病人的细胞时,很难知道哪个序列对疾病来说很重要,哪些只是背景噪音。同时,将突变植入细胞是一项昂贵且费力的工作。

2012年,他通过阅读了解到一项最新发表的、被称为CRISPR的技术。它能使研究人员快速改变几乎任何生物体的DNA,包括人类。此后不久,Conklin放弃了此前为疾病建立模型的方法,转而采用这项新技术。目前,他的实验室正在狂热地改变同各种心脏疾病相关的基因。“CRISPR正带来翻天覆地的变化。”Conklin说。

这种情感被广泛共享:CRISPR正在生物医学研究领域引起一场巨变。不像其他基因编辑手段,它使用起来廉价、迅速且简单,并因此席卷全球实验室。研究人员希望利用它调整人类基因以消除疾病,创造生命力更加顽强的植物,并且消灭病原体。“自从事科研以来,我经历过两次大的发展。”康奈尔大学遗传学家John Schimenti表示,像在1985年被发明后使基因工程领域发生革命性变化的基因扩增方法——PCR一样,“CRISPR正通过如此多的方式影响生命科学”。

不过,尽管CRISPR前途大好,但一些科学家担心,这个领域极快的发展步伐几乎没有为解决类似试验可能引发的伦理和安全问题留出时间。当今年4月关于科学家利用CRISPR改造人类胚胎的新闻曝出时,该问题被推到了聚光灯下。虽然他们使用的胚胎无法使婴儿安全出生,但这项报道引发了关于是否以及如何使用CRISPR使人类基因组产生可遗传的变化的激烈争辩。同时,还有其他的顾虑存在。比如,一些科学家担心,接受过基因编辑的生物体会扰乱整个生态系统。

引发研究革命

长久以来,生物学家一直在利用分子工具编辑基因组。大约10年前,他们因一种有望精确且高效地编辑基因、被称为锌指核酸酶的酶而兴奋不已。不过,马萨诸塞州布兰迪斯大学分子生物学家James Haber表示,需要花费5000多美元才能订购到的锌指并未被普遍采用,因为它们很难进行基因改造且花费颇高。CRISPR却大不相同:它依靠一种利用引导性RNA分子将其导向目标DNA、被称为Cas9的酶,然后编辑DNA以扰乱基因或插入想要的序列。通常,研究人员需要订购的只是RNA片段,其他成分都是现成的。全部花费只有30美元。“这使得该技术走向大众化,因此每个人都在使用它。”Haber说,这的确是一场巨大的革命。

CRISPR方法正快速超越锌指核酸酶和其他编辑工具。对一些研究人员来说,这意味着要放弃曾花费数年来完善的技术。“我很郁闷。”英国韦尔科姆基金会桑格学院研究所遗传学家Bill Skarnes说,“但又很兴奋。”Skarnes在自己职业生涯的大部分时间都在使用上世纪80年代引入的一项技术:将DNA插入胚胎干细胞,然后利用这些细胞产生转基因小鼠。这项技术变成实验室的主力,但同时耗费时间且非常昂贵。CRISPR所需时间很少,因此Skarnes在两年前采用了这项技术。

研究人员传统上严重依赖诸如小鼠、果蝇等模式生物。目前,CRISPR使在更多生物体中编辑基因成为可能。例如,今年4月,马萨诸塞州怀特海德生物医学研究所研究人员的报告称,利用CRISPR研究了白色念珠菌。这是一种在免疫系统减弱的人群中尤其具有致死性但一直很难在实验室中进行基因操控的真菌。来自加州大学伯克利分校的CRISPR技术先驱Jennifer Doudna正在记录被CRISPR改变的生物清单。截至目前,她已拥有近40个条目,包括致病寄生虫——锥体虫和被用来制造生物燃料的酵母菌。

然而,快速的进步有着自身的弊端。“人们根本没有时间描述这个系统中一些最基本参数的特征。”加州大学旧金山分校生物物理学家Bo Huang说,“现在有这样一种心态,即只要它能发挥作用,我们就不需要理解它是如何以及为何发挥作用的。”这意味着研究人员偶尔会遇到故障。Huang和他的实验室奋斗了两个月,使CRISPR适用于成像研究。他怀疑,如果对如何使引导性RNA的设计最优化了解得更多,耽搁的时间会更少。

获得广泛应用

去年,麻省理工学院生物工程学家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一个同人类代谢性疾病相关的突变tyrosinaemia。这是首次利用CRISPR在成年动物体内修正致病突变,并且是将该项技术用于人类基因疗法的一个重大进步。

在科学和生物技术圈,CRISPR能加快基因治疗领域发展的想法是一个主要的兴奋点。不过,在凸显潜力的同时,Anderson的研究还展现了真正应用这项技术还有多远的路要走。为将Cas9酶和其引导性RNA送入目标器官——肝脏,该研究团队不得不用泵将通常被认为在人体内不宜存在的大量流体送入血管。试验仅在0.4%的细胞中修正了致病突变,而这并不足以对很多疾病产生影响。

过去两年里,一些公司如雨后春笋般出现,开发基于CRISPR的基因疗法。Anderson和其他人表示,此类疗法的首次临床试验会在接下来的一到两年内进行。这些首批试验或许将勾勒出CRISPR的应用场景,即CRISPR成分能被直接注入眼睛等器官,或者细胞能从人体移除并在实验室中进行基因改造后被放回体内。例如,形成血液的干细胞可能被修正用于治疗诸如镰状细胞性贫血症或β-地中海贫血等疾病。虽然将酶和引导性RNA送入很多其他组织将是一项更大的挑战,但研究人员希望有一天这项技术能被用于解决更广范的遗传疾病。

在Anderson和其他人正在瞄准修正人类细胞内的DNA时,一些人将目光投向了农作物和牲畜。在基因编辑技术出现前,这往往是通过将基因插入基因组中随意位置实现的,连同基因一起的还有来自细菌、病毒或其他物种驱动基因表达的序列。不过,这个过程效率很低,并且总是成为讨厌来自不同物种的DNA混合在一起或担心这种插入会扰乱其他基因的批评人士的素材。更重要的是,获得转基因作物使用批准非常复杂且花费颇高,以至于接受基因修正的都是大型大宗商品作物,比如玉米和大豆。

有了CRISPR,形势将发生改变:快捷和低成本或许会使基因编辑成为较小型特殊作物和动物的一个可行选择。过去几年间,研究人员利用该方法对小型猪进行了基因改造,并且获得了抗病小麦和水稻。他们还在通过基因改造获得没有角的牛、抵抗疾病的山羊和富含维生素的甜橙等方面取得进步。

生态系统或被改变

除了农业,研究人员正在考虑CRISPR如何能被或者说应当被用于野外的生物体。大部分注意力集中在一种被称为基因驱动的方法上,因为它能迅速将被编辑基因在整个种群中传播。这项工作正处于起步阶段,但类似技术能被用于消灭携带疾病的蚊子或蜱虫,清除入侵植物或消除使一些美国农民饱受折磨的猪草中的除草剂抗性。

不过,很多研究人员非常担心,改变整个种群或将其全部清除会对生态系统产生无法预知的灾难性后果:这可能意味着其他害虫会出现,或者影响食物链上处于较高位置的捕食者。他们还担心,引导性RNA会随着时间的推移发生突变。随后,这种突变将席卷整个种群,产生始料未及的影响。

“这种方法不得不拥有相当高的回报,因为它具有不可逆转的危险和给其他物种带来的意料之外或很难预估的后果。”哈佛医学院生物工程师George Church表示。2014年4月,Church和一组科学家及政策专家在《科学》杂志上撰写了一篇评论文章,警告研究人员试验性基因驱动意外泄漏带来的风险,并且提出了防止此事发生的方法。

当时,基因驱动看上去还是一个遥远的前景。然而,不到一年后,加州大学圣地亚哥分校发育生物学家Ethan Bier和他的学生Valentino Gantz报告称,他们在果蝇中设计出类似系统。Bier和Gantz利用3层的箱子容纳果蝇,并且采用了通常用于研究携带疟疾的蚊子的实验室安全举措。不过,他们并未遵循上述评论文章作者极力推荐的所有指导原则,比如设计逆转基因改造所致变化的方法。Bier说,他们正在开展首个原理性试验,并且想知道该系统能否在变得更加复杂之前行之有效。

对于Church和其他人来说,这是一个明确的警告,即通过CRISPR开展的基因编辑的大众化会产生无法预料和不想看到的结果。麻省理工学院政治学家Kenneth Oye说:“我们需要更多的行动。”美国国家研究委员会已经形成专家组探讨基因驱动,其他高级别商讨也正在开始进行。不过,Oye担心,科学正在以闪电般的速度向前发展,而监管上的改变可能只在基因驱动泄漏事件受到关注后才会发生。

然而,该问题并不是非黑即白。得州农工大学昆虫生态学家Micky Eubanks表示,基因驱动的提法最初让他大吃一惊。“我最初本能的反应是‘我的天,这太恐怖了。它是如此的令人恐惧’。”Eubanks说,但当你再考虑一下,并将其同人类已经造成并且将继续造成的环境改变作下权衡,会发现它只不过是沧海一粟。(来源:科学网)

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