基因編輯器將大顯身手

李蕓蕓

細菌也有敵人，其較大的敵人之一是噬菌體，因為后者可以進攻和吞食細菌。面對攻擊，細菌最有效的還擊是祭出一種武器CRISPR，以保護自身。CRISPR實際上就是一種基因編輯器（又稱為CRISPR-Cas9系統），是細菌用以對抗病毒保護自身的一個系統，也是一種對付攻擊者的基因武器。

初識基因編輯器

1987年，一個科學研究小組發現，在一個細菌基因的一端有一個奇怪的重復序列，一個DNA序列緊跟著幾乎完全相同但以相反方向構造的序列。這一現象當時并未引起太多人的注意。過了10年，破譯微生物基因組的生物學家開始經常發現這類令人費解的DNA重復模式，因為這種重復模式出現在超過40%的細菌和90%的古生菌中。這種DNA的重復序列就是基因編輯器CRISPR。即便如此，研究人員也并不理解基因編輯器的作用。

到了2005年，有3個研究小組發現，基因編輯器可能與微生物的免疫作用有關。其中一個研究小組是馬里蘭州貝塞斯達市美國國家生物技術信息中心的尤金·庫寧和其同事。他們發現，基因編輯器能夠整合入侵的噬菌體（一種病毒）的少量基因，從而可以參考入侵者的基因來識別和攻擊入侵者，就像疫苗一樣發揮作用。

具體作用是，細菌和古生菌占據入侵的噬菌體的部分DNA，然后將其作為核糖核酸（RNA）分子（能阻止外來DNA的匹配）的一個模板保存起來，就像真核細胞利用一個被稱作核糖核酸干擾（RNAi）的系統來摧毀核糖核酸一樣。簡單地說，基因編輯器能模仿入侵者的基因以干擾入侵者的基因編碼，從而抗擊入侵者。

2007年，總部位于丹麥哥本哈根的食品添加劑公司——丹尼斯克公司（后被美國杜邦公司收購）的魯道夫·巴蘭格等人在研究中證明，他們通過添加或刪除與噬菌體DNA相匹配的間隔區DNA，增強了嗜熱鏈球菌對噬菌體攻擊的抵抗力。也就是說，通過基因編輯器可以增強細菌防御噬菌體的能力。細菌借助基因編輯器而使自己具備一種有高度適應性的免疫系統，使得它們能擊退來自某些噬菌體的多次進攻。

當然，基因編輯器更為現實的作用是能夠為食品生產培育更強壯的菌株。因為乳品業通常依靠細菌（諸如嗜熱鏈球菌）生產酸奶和乳酪，嗜熱鏈球菌能將牛奶中的乳糖分解為有刺激性的乳酸。但是，噬菌體能攻擊嗜熱鏈球菌，從而讓后者不能發揮作用，使得制造的酸奶或其他食物的質量或數量遭受嚴重損害。

到了2013年，研究人員對基因編輯器有了更多的了解，他們發現，基因編輯器似乎是一種精確的萬能基因武器，可以用來刪除、添加、激活或抑制其他生物體的目標基因，這些目標基因包括人、老鼠、斑馬魚、細菌、果蠅、酵母、線蟲和農作物細胞內的基因，這也意味著基因編輯器是一種可以廣泛使用的生物技術。

新生命的誕生

利用基因編輯器，研究人員可以更為迅速地改變或刪除細胞中的多個基因，從而可以治療一些遺傳性疾病，例如亨廷頓病，甚至可以治療艾滋病等現在無法治愈的疾病。當然，這一技術還以用來糾正體外受精胚胎的基因缺陷，如此，將可以創造新的健康生命。

現在，中國研究人員利用基因編輯器走在了創造新生命的前列。南京醫科大學生殖醫學國家重點實驗室、云南省靈長類生物醫藥研究重點實驗室和南京大學的研究團隊利用基因編輯器，首次在全球創造和孕育了兩只靶向基因編輯猴。創造靶向基因編輯猴的目的是建立猴子疾病模型。由于人與猴子有較大的相似性，因此可以用猴子來模擬人類，試驗藥物和治療遺傳病，從而降低以人做試驗的風險。

基因編輯器可以對目標基因進行插入、刪除或重寫，類似編輯人員對文字進行編輯、刪改和插入一樣，是一種對物種基因進行編輯加工的過程，由此不僅可以改變基因的功能，而且能創造新的生命。

研究人員先是給猴胚胎細胞注射定制的核糖核酸，然后把基因編輯器中的一種編輯工具DNA切割酶Cas9引導至期望的基因突變位點，修改了3個基因。這3個基因分別是，調節代謝的基因Ppar-γ、調節免疫功能的基因Rag1和調節干細胞和性別決定的基因。研究人員在180多個單細胞期猴胚胎中同時靶向編輯了這3個基因，然后對15個胚胎的基因組進行測序，結果發現其中有8個胚胎顯示出兩個靶基因同時突變的證據。這兩個基因就是調節代謝的基因和調節免疫功能的基因。

此后，研究人員將這種經過遺傳修飾的胚胎轉移到代孕母猴體內，其中一只母猴分娩出了一對孿生猴。對這對孿生猴的基因組進行檢測后發現，它們的DNA中確實存在兩個突變的靶基因。也因此把這兩只猴稱為靶向基因編輯猴。

當然，現在這兩只猴子還處于幼年期，尚無法驗證是否經過編輯的靶基因會產生作用，即是否會在猴子的代謝和免疫功能方面出現變化，而檢驗這些功能需要等到3年后猴子成年時才能觀察到。

另一方面，人和動物的一些生理功能和病理表現并非只是一兩個基因就能決定的，所以，在未來評估這種靶向基因編輯猴時，還要評估和觀察其他基因是否起作用，而且要檢測是否靶向基因編輯猴的所有細胞中都有這種經過編輯加工過的基因，如此才能全面地評價這種猴子的價值。

但不管怎樣，靶向基因編輯猴的誕生也提供了改變和修飾基因以治療疾病的一個新的方向。

基因編輯器前景廣闊

其實，基因編輯器的原理比較明確，就是找到目標基因并干擾這種基因的表達，或讓這種基因處于沉默狀態，不能表達。

在基因干擾的研究上，研究人員早就有類似的發現。1990年，一個研究小組給矮牽?；ㄞD入一種催生紅色素的基因，希望這種轉基因矮牽?；ㄗ兂甚r紅色。但是，事與愿違，矮牽牛花不僅沒變成鮮紅色，反而完全褪色，花瓣變成了白色。這是為什么呢？

1998年美國科學家安德魯·法爾和克雷格·梅洛揭開了其中的奧秘，原來是核糖核酸干擾造成的。核糖核酸過去被視為從DNA轉錄遺傳信息的“二傳手”，蛋白質是根據其轉錄的信息來生產的，所以它只是一個信使。但是，法爾和梅洛發現，核糖核酸在轉錄信息時，有時是忠實傳遞信息，但有時會打折扣，從而使特定基因開啟、關閉、更活躍或更不活躍，最終影響到生物的體型、外表、顏色和發育等。正是由于產生了干擾，轉入矮牽牛花的紅色素基因沉默下來，不能表達，矮牽?；ň筒粫兂杉t色。為此，法爾和梅洛共同獲得2006年的諾貝爾生理學或醫學獎。

利用核糖核酸干擾可以讓一些致病基因沉默，以治療疾病，例如，核糖核酸干擾可治愈實驗鼠的肝炎。但是，核糖核酸干擾是通過阻斷信使核糖核酸（mRNA）來阻止蛋白質生成，這時DNA的信息已經轉錄到核糖核酸中了，這如同馬已離廄，要進行特定的干擾，有時已經太晚。

但是，基因編輯器所進行的干擾則是在DNA的信息還未轉錄到核糖核酸之時，也就是說，是在馬還未離廄時對目標馬匹（目標基因）的干擾。

更有意義的是，基因編輯器也需要核糖核酸協同作用，因為它可以為編輯器中的切割酶Cas9導向（所以基因編輯器又稱為CRISPR-Cas9系統），引導其在特異位點裂解完整基因組，這個特異位點就是目標基因的位點，從而修改、修復目標基因序列，或插入新的基因片段，以干擾目標基因。

其實，2013年3月美國馬薩諸塞州總醫院的研究人員就利用基因編輯器創造出了變異的斑馬魚。不僅如此，基因編輯器還有可能讓農作物生產更多更好的糧食產品。例如，中國科學院遺傳與發育生物學研究所的高彩霞研究團隊利用基因編輯器剔除了小麥中的一種致病基因，使小麥獲得了抗白粉病的抗性，為小麥的增產奠定了基礎。高彩霞研究團隊還利用基因編輯器讓水稻中的4種基因保持沉默而失去功能，這也意味著基因編輯器可以用于改良中國人最重要的糧食——大米，讓其變得更有營養或更高產。

【責任編輯】張田勘endprint