圖片來(lái)源：S佴bastien Thibault
美國(guó)舊金山格萊斯頓研究所遺傳學(xué)家Bruce Conklin一直試圖找到DNA變異如何影響不同的人類(lèi)疾病，但使用的工具有些笨重。當(dāng)他研究來(lái)自病人的細(xì)胞時(shí)，很難知道哪個(gè)序列對(duì)疾病來(lái)說(shuō)很重要，哪些只是背景噪音。同時(shí)，將突變植入細(xì)胞是一項(xiàng)昂貴且費(fèi)力的工作。
2012年，他通過(guò)閱讀了解到一項(xiàng)最新發(fā)表的、被稱(chēng)為CRISPR的技術(shù)。它能使研究人員快速改變幾乎任何生物體的DNA，包括人類(lèi)。此后不久，Conklin放棄了此前為疾病建立模型的方法，轉(zhuǎn)而采用這項(xiàng)新技術(shù)。目前，他的實(shí)驗(yàn)室正在狂熱地改變同各種心臟疾病相關(guān)的基因�！癈RISPR正帶來(lái)翻天覆地的變化�！盋onklin說(shuō)。
這種情感被廣泛共享：CRISPR正在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域引起一場(chǎng)巨變。不像其他基因編輯手段，它使用起來(lái)廉價(jià)、迅速且簡(jiǎn)單，并因此席卷全球?qū)嶒?yàn)室。研究人員希望利用它調(diào)整人類(lèi)基因以消除疾病，創(chuàng)造生命力更加頑強(qiáng)的植物，并且消滅病原體。“自從事科研以來(lái)，我經(jīng)歷過(guò)兩次大的發(fā)展。”康奈爾大學(xué)遺傳學(xué)家John Schimenti表示，像在1985年被發(fā)明后使基因工程領(lǐng)域發(fā)生革命性變化的基因擴(kuò)增方法——PCR一樣，“CRISPR正通過(guò)如此多的方式影響生命科學(xué)”。
不過(guò)，盡管CRISPR前途大好，但一些科學(xué)家擔(dān)心，這個(gè)領(lǐng)域極快的發(fā)展步伐幾乎沒(méi)有為解決類(lèi)似試驗(yàn)可能引發(fā)的倫理和安全問(wèn)題留出時(shí)間。當(dāng)今年4月關(guān)于科學(xué)家利用CRISPR改造人類(lèi)胚胎的新聞曝出時(shí)，該問(wèn)題被推到了聚光燈下。雖然他們使用的胚胎無(wú)法使嬰兒安全出生，但這項(xiàng)報(bào)道引發(fā)了關(guān)于是否以及如何使用CRISPR使人類(lèi)基因組產(chǎn)生可遺傳的變化的激烈爭(zhēng)辯。同時(shí)，還有其他的顧慮存在。比如，一些科學(xué)家擔(dān)心，接受過(guò)基因編輯的生物體會(huì)擾亂整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。
引發(fā)研究革命
長(zhǎng)久以來(lái)，生物學(xué)家一直在利用分子工具編輯基因組。大約10年前，他們因一種有望精確且高效地編輯基因、被稱(chēng)為鋅指核酸酶的酶而興奮不已。不過(guò)，馬薩諸塞州布蘭迪斯大學(xué)分子生物學(xué)家James Haber表示，需要花費(fèi)5000多美元才能訂購(gòu)到的鋅指并未被普遍采用，因?yàn)樗鼈兒茈y進(jìn)行基因改造且花費(fèi)頗高。CRISPR卻大不相同：它依靠一種利用引導(dǎo)性RNA分子將其導(dǎo)向目標(biāo)DNA、被稱(chēng)為Cas9的酶，然后編輯DNA以擾亂基因或插入想要的序列。通常，研究人員需要訂購(gòu)的只是RNA片段，其他成分都是現(xiàn)成的。全部花費(fèi)只有30美元�！斑@使得該技術(shù)走向大眾化，因此每個(gè)人都在使用它�！盚aber說(shuō)，這的確是一場(chǎng)巨大的革命。
CRISPR方法正快速超越鋅指核酸酶和其他編輯工具。對(duì)一些研究人員來(lái)說(shuō)，這意味著要放棄曾花費(fèi)數(shù)年來(lái)完善的技術(shù)�！拔液苡魫��！庇�(guó)韋爾科姆基金會(huì)桑格學(xué)院研究所遺傳學(xué)家Bill Skarnes說(shuō)，“但又很興奮�！盨karnes在自己職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都在使用上世紀(jì)80年代引入的一項(xiàng)技術(shù)：將DNA插入胚胎干細(xì)胞，然后利用這些細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因小鼠。這項(xiàng)技術(shù)變成實(shí)驗(yàn)室的主力，但同時(shí)耗費(fèi)時(shí)間且非常昂貴。CRISPR所需時(shí)間很少，因此Skarnes在兩年前采用了這項(xiàng)技術(shù)。
研究人員傳統(tǒng)上嚴(yán)重依賴(lài)諸如小鼠、果蠅等模式生物。目前，CRISPR使在更多生物體中編輯基因成為可能。例如，今年4月，馬薩諸塞州懷特海德生物醫(yī)學(xué)研究所研究人員的報(bào)告稱(chēng)，利用CRISPR研究了白色念珠菌。這是一種在免疫系統(tǒng)減弱的人群中尤其具有致死性但一直很難在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行基因操控的真菌。來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的CRISPR技術(shù)先驅(qū)Jennifer Doudna正在記錄被CRISPR改變的生物清單。截至目前，她已擁有近40個(gè)條目，包括致病寄生蟲(chóng)——錐體蟲(chóng)和被用來(lái)制造生物燃料的酵母菌。
然而，快速的進(jìn)步有著自身的弊端�！叭藗兏緵](méi)有時(shí)間描述這個(gè)系統(tǒng)中一些最基本參數(shù)的特征。”加州大學(xué)舊金山分校生物物理學(xué)家Bo Huang說(shuō)，“現(xiàn)在有這樣一種心態(tài)，即只要它能發(fā)揮作用，我們就不需要理解它是如何以及為何發(fā)揮作用的�！边@意味著研究人員偶爾會(huì)遇到故障。Huang和他的實(shí)驗(yàn)室?jiàn)^斗了兩個(gè)月，使CRISPR適用于成像研究。他懷疑，如果對(duì)如何使引導(dǎo)性RNA的設(shè)計(jì)最優(yōu)化了解得更多，耽擱的時(shí)間會(huì)更少。
獲得廣泛應(yīng)用
去年，麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一個(gè)同人類(lèi)代謝性疾病相關(guān)的突變tyrosinaemia。這是首次利用CRISPR在成年動(dòng)物體內(nèi)修正致病突變，并且是將該項(xiàng)技術(shù)用于人類(lèi)基因療法的一個(gè)重大進(jìn)步。
在科學(xué)和生物技術(shù)圈，CRISPR能加快基因治療領(lǐng)域發(fā)展的想法是一個(gè)主要的興奮點(diǎn)。不過(guò)，在凸顯潛力的同時(shí)，Anderson的研究還展現(xiàn)了真正應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)還有多遠(yuǎn)的路要走。為將Cas9酶和其引導(dǎo)性RNA送入目標(biāo)器官——肝臟，該研究團(tuán)隊(duì)不得不用泵將通常被認(rèn)為在人體內(nèi)不宜存在的大量流體送入血管。試驗(yàn)僅在0.4%的細(xì)胞中修正了致病突變，而這并不足以對(duì)很多疾病產(chǎn)生影響。
過(guò)去兩年里，一些公司如雨后春筍般出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)基于CRISPR的基因療法。Anderson和其他人表示，此類(lèi)療法的首次臨床試驗(yàn)會(huì)在接下來(lái)的一到兩年內(nèi)進(jìn)行。這些首批試驗(yàn)或許將勾勒出CRISPR的應(yīng)用場(chǎng)景，即CRISPR成分能被直接注入眼睛等器官，或者細(xì)胞能從人體移除并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行基因改造后被放回體內(nèi)。例如，形成血液的干細(xì)胞可能被修正用于治療諸如鐮狀細(xì)胞性貧血癥或β-地中海貧血等疾病。雖然將酶和引導(dǎo)性RNA送入很多其他組織將是一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)，但研究人員希望有一天這項(xiàng)技術(shù)能被用于解決更廣范的遺傳疾病。
在Anderson和其他人正在瞄準(zhǔn)修正人類(lèi)細(xì)胞內(nèi)的DNA時(shí)，一些人將目光投向了農(nóng)作物和牲畜。在基因編輯技術(shù)出現(xiàn)前，這往往是通過(guò)將基因插入基因組中隨意位置實(shí)現(xiàn)的，連同基因一起的還有來(lái)自細(xì)菌、病毒或其他物種驅(qū)動(dòng)基因表達(dá)的序列。不過(guò)，這個(gè)過(guò)程效率很低，并且總是成為討厭來(lái)自不同物種的DNA混合在一起或擔(dān)心這種插入會(huì)擾亂其他基因的批評(píng)人士的素材。更重要的是，獲得轉(zhuǎn)基因作物使用批準(zhǔn)非常復(fù)雜且花費(fèi)頗高，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，形勢(shì)將發(fā)生改變：快捷和低成本或許會(huì)使基因編輯成為較小型特殊作物和動(dòng)物的一個(gè)可行選擇。過(guò)去幾年間，研究人員利用該方法對(duì)小型豬進(jìn)行了基因改造，并且獲得了抗病小麥和水稻。他們還在通過(guò)基因改造獲得沒(méi)有角的牛、抵抗疾病的山羊和富含維生素的甜橙等方面取得進(jìn)步。
生態(tài)系統(tǒng)或被改變
除了農(nóng)業(yè)，研究人員正在考慮CRISPR如何能被或者說(shuō)應(yīng)當(dāng)被用于野外的生物體。大部分注意力集中在一種被稱(chēng)為基因驅(qū)動(dòng)的方法上，因?yàn)樗苎杆賹⒈痪庉嫽蛟谡麄�(gè)種群中傳播。這項(xiàng)工作正處于起步階段，但類(lèi)似技術(shù)能被用于消滅攜帶疾病的蚊子或蜱蟲(chóng)，清除入侵植物或消除使一些美國(guó)農(nóng)民飽受折磨的豬草中的除草劑抗性。
不過(guò)，很多研究人員非常擔(dān)心，改變整個(gè)種群或?qū)⑵淙壳宄龝?huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)知的災(zāi)難性后果：這可能意味著其他害蟲(chóng)會(huì)出現(xiàn)，或者影響食物鏈上處于較高位置的捕食者。他們還擔(dān)心，引導(dǎo)性RNA會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生突變。隨后，這種突變將席卷整個(gè)種群，產(chǎn)生始料未及的影響。
“這種方法不得不擁有相當(dāng)高的回報(bào)，因?yàn)樗哂胁豢赡孓D(zhuǎn)的危險(xiǎn)和給其他物種帶來(lái)的意料之外或很難預(yù)估的后果。”哈佛醫(yī)學(xué)院生物工程師George Church表示。2014年4月，Church和一組科學(xué)家及政策專(zhuān)家在《科學(xué)》雜志上撰寫(xiě)了一篇評(píng)論文章，警告研究人員試驗(yàn)性基因驅(qū)動(dòng)意外泄漏帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，并且提出了防止此事發(fā)生的方法。
當(dāng)時(shí)，基因驅(qū)動(dòng)看上去還是一個(gè)遙遠(yuǎn)的前景。然而，不到一年后，加州大學(xué)圣地亞哥分校發(fā)育生物學(xué)家Ethan Bier和他的學(xué)生Valentino Gantz報(bào)告稱(chēng)，他們?cè)诠壷性O(shè)計(jì)出類(lèi)似系統(tǒng)。Bier和Gantz利用3層的箱子容納果蠅，并且采用了通常用于研究攜帶瘧疾的蚊子的實(shí)驗(yàn)室安全舉措。不過(guò)，他們并未遵循上述評(píng)論文章作者極力推薦的所有指導(dǎo)原則，比如設(shè)計(jì)逆轉(zhuǎn)基因改造所致變化的方法。Bier說(shuō)，他們正在開(kāi)展首個(gè)原理性試驗(yàn)，并且想知道該系統(tǒng)能否在變得更加復(fù)雜之前行之有效。
對(duì)于Church和其他人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)明確的警告，即通過(guò)CRISPR開(kāi)展的基因編輯的大眾化會(huì)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料和不想看到的結(jié)果。麻省理工學(xué)院政治學(xué)家Kenneth Oye說(shuō)：“我們需要更多的行動(dòng)�！泵绹�(guó)國(guó)家研究委員會(huì)已經(jīng)形成專(zhuān)家組探討基因驅(qū)動(dòng)，其他高級(jí)別商討也正在開(kāi)始進(jìn)行。不過(guò)，Oye擔(dān)心，科學(xué)正在以閃電般的速度向前發(fā)展，而監(jiān)管上的改變可能只在基因驅(qū)動(dòng)泄漏事件受到關(guān)注后才會(huì)發(fā)生。
然而，該問(wèn)題并不是非黑即白。得州農(nóng)工大學(xué)昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué)家Micky Eubanks表示，基因驅(qū)動(dòng)的提法最初讓他大吃一驚�！拔易畛醣灸艿姆磻�(yīng)是‘我的天，這太恐怖了。它是如此的令人恐懼’�！盓ubanks說(shuō)，但當(dāng)你再考慮一下，并將其同人類(lèi)已經(jīng)造成并且將繼續(xù)造成的環(huán)境改變作下權(quán)衡，會(huì)發(fā)現(xiàn)它只不過(guò)是滄海一粟。
