基因編輯：“改碼”以后我們會怎樣

羅元婕

過去幾十年間，DNA測序技術(shù)快速發(fā)展，令成本持續(xù)走低，從原先的高不可攀到如今不過千元價格。隨之而來的，無論是科學(xué)界還是大眾對其了解也越來越深。然而，如何對一個活細(xì)胞的基因進(jìn)行相關(guān)操作，對科學(xué)家來說還是一個問題。眼下，新型基因編輯技術(shù)CRISPR改變了科學(xué)界對遺傳工程的理解，這項炙手可熱的技術(shù)預(yù)示著一個全新的生物醫(yī)學(xué)時代的開啟。

鐮形紅細(xì)胞貧血癥（Sickle Cell Anemia）是一種隱性基因遺傳病。正常血紅細(xì)胞是橢圓形的，而得了該病的患者其紅細(xì)胞為鐮刀形，攜帶氧氣量只有正常血紅細(xì)胞的一半。這樣的細(xì)胞僵硬、變形性差、易破而導(dǎo)致溶血，從而造成血管阻塞、組織缺氧、損傷、壞死，甚至引起生命危險。

科學(xué)家們完全知道這一疾病的成因，早就定位了它是由哪一對DNA的問題引起的，但一直并沒有找到真正的辦法來對這對DNA“下手”。目前常規(guī)的做法是通過移植另一個人的健康造血干細(xì)胞來治療。但這種療法用時長，效率低，尋找與病人配對的干細(xì)胞更是一個棘手的問題。

現(xiàn)在，CRISPR基因編輯技術(shù)出現(xiàn)了，該技術(shù)通過編輯哺乳動物和其他生物的活體細(xì)胞內(nèi)基因組，很有可能用以徹底治療像鐮形紅細(xì)胞貧血癥這樣的基因疾病。

靠“修正”一段基因來治病

研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的一種DNA序列——CRISPR（它有一個非常拗口的中文名字：“常間回文重復(fù)序列叢集”）及其相關(guān)蛋白（Cas，是一種內(nèi)切酶）和很多病毒的DNA序列是互補(bǔ)的，說明CRISPR–Cas系統(tǒng)很有可能像人類免疫系統(tǒng)一樣，是細(xì)菌抵御外來入侵者的一套特別防御機(jī)制。外來病毒入侵后，內(nèi)切酶 Cas通過“向?qū)NA”（sgRNA）的指引，對入侵病毒的DNA分子進(jìn)行定點切割，使特定DNA的雙鏈斷裂。切割之后細(xì)胞又會對斷裂的DNA 進(jìn)行修復(fù)。如果采用的是一種名為“同源重組機(jī)制”的方式，那么它就會用另一段DNA 片段填補(bǔ)斷裂的DNA缺口，帶入一段新的遺傳信息。CRISPR-Cas系統(tǒng)需要多種蛋白的參與，但很多細(xì)菌只需要Cas9就夠了，這也是該系統(tǒng)得名的原因。

CRISPR在1987年以一種“奇特細(xì)菌重復(fù)序列現(xiàn)象”被發(fā)現(xiàn)，后來確認(rèn)其為細(xì)菌后天形成的免疫防御機(jī)制，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)它的目標(biāo)是DNA，直至今日，它才成為一項基因工程技術(shù)，其間經(jīng)歷了二十多年的歷史。

2012年6月，生物學(xué)家詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）和艾曼努爾·卡蓬提爾（Emmanuelle Charpentier）帶領(lǐng)的科研小組發(fā)布了他們的研究結(jié)果，第一次使CRISPR這種自然的免疫機(jī)制證明了Cas9可以在體外切割任意DNA片段，開發(fā)出一種能夠?qū)蚪M進(jìn)行特異性定點改造的工具。根據(jù)該免疫機(jī)制的原理，如果想找尋特定的基因，科學(xué)家只要合成Cas9和帶有與目標(biāo)基因序列相仿的一小部分RNA（即向?qū)NA），就能坐等向?qū)NA帶Cas9找到特定位置，并剪斷目標(biāo)DNA的雙鏈。

2013年，佐治亞理工學(xué)院的生物工程學(xué)教授包鋼利用CRISPR技術(shù)，配合幾年前開發(fā)出來的另一種基因工程技術(shù)TALENs （一種可以定位DNA位置的特殊蛋白），修正了長在培養(yǎng)皿中的人體細(xì)胞的鐮形紅細(xì)胞變異基因。根據(jù)這項研究的結(jié)果，從患者自己的骨髓中提取造血干細(xì)胞，利用CRISPR技術(shù)定位并修正其基因變異的部分，把修正后的干細(xì)胞放入患者體內(nèi)，就能讓它們造出正常的血紅細(xì)胞來。這徹底改變了目前治療鐮形紅細(xì)胞貧血癥的手段。對于自己所取得的研究成果，包鋼說，“如果有50%的血紅細(xì)胞被替換，那么病人就會好受很多；如果能替換70%，那么病人就算被治愈了。”

但鐮形紅細(xì)胞貧血是由單個基因變異導(dǎo)致的遺傳性疾病，且科學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)，這個變異基因位于血紅蛋白的β鏈上。包鋼和他的團(tuán)隊選擇研究該基因，正是考慮到它的成因簡單，變量小，適合用于人類基因編輯的初期探索。相比之下，還有很多復(fù)雜疾病，如自閉癥、精神疾病、心臟病、糖尿病、腫瘤等，是由多個變異基因相互作用引起的，且每個病人都有各自的病癥表現(xiàn)。雖然過去幾十年間基因工程已經(jīng)發(fā)展到能將某些基因與特定疾病聯(lián)系起來，但這些病癥的表現(xiàn)形式和基因之間的關(guān)系如何，這一問題對科學(xué)家來說還是一項巨大的挑戰(zhàn)。

2013年11月，云南中科靈長類生物醫(yī)學(xué)重點實驗室利用CRISPR-Cas9編輯了受精卵中的3個基因，創(chuàng)造出了一對帶有精確基因突變的獼猴，證明了CRISPR技術(shù)能被用在靈長類動物的基因編輯上，但目前絕大多數(shù)實驗室用的實驗對象還是小白鼠，基因變異無法在培養(yǎng)皿里發(fā)生。之前，每只老鼠只能被用于觀察一種基因突變現(xiàn)象。即便老鼠每三周就能繁衍出下一代，這種方式費時長，且要控制的變量很多，更不可能同一時間觀察到多個基因突變引發(fā)的病癥。

麻省理工學(xué)院年輕的華人科學(xué)家張鋒率領(lǐng)他的團(tuán)隊，自2013年第一次在《科學(xué)》雜志上發(fā)表 CRISPR技術(shù)能用于哺乳動物的基因組編輯的結(jié)論后，對神經(jīng)醫(yī)學(xué)等復(fù)雜病癥的探索一刻也沒有停歇。張鋒和他的團(tuán)隊將Cas9從CRISPR系統(tǒng)中分離出來，移植到小白鼠的胚胎里，使之成為小白鼠一個永久的基因。也就是說，這些小白鼠生來就自帶Cas9， 每次實驗，只需注入特別合成的RNA片段加以觀察即可。這樣一來，操作過程更為簡化，用時更短。

舉個例子，科學(xué)家認(rèn)為自閉癥和幾個特定神經(jīng)細(xì)胞的異常活動有緊密聯(lián)系，但腦神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量達(dá)上億，如果用原來的辦法一個個試，龐大的工作量極具挑戰(zhàn)性。而現(xiàn)在，將那幾個與自閉癥可能相關(guān)的變異基因同時注射到小白鼠體內(nèi)，便能靜待CRISPR起作用，觀察小白鼠的病癥。“這樣一來，我們就能發(fā)現(xiàn)自閉癥的不同生理表征，了解其病理成因，這對未來開發(fā)對應(yīng)藥物很有用”，張鋒接受采訪時說，同理，這樣的方法也能運用到帕金森癥、老年癡呆癥、精神分裂癥、癌癥等一系列疑難雜癥上。將來，生物醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⒂锌赡艹霈F(xiàn)爆炸式的發(fā)展。這也是基因編輯技術(shù)目前如此火爆的原因。

從“脫靶”的風(fēng)險到“基因訂制”的倫理問題

CRISPR技術(shù)雖然前景光明，但畢竟還處于初期發(fā)展階段，人工編輯基因在醫(yī)療上的應(yīng)用暫時還面臨許多障礙，而其中之一就是“脫靶效應(yīng)”——它可能在計劃靶點以外的位置切斷DNA，產(chǎn)生意外的變異。這也是基因編輯技術(shù)飽受爭議的首要原因。

2015年4月，網(wǎng)絡(luò)雜志《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》第一次發(fā)表了中國科學(xué)家編輯人類胚胎基因的研究。在這篇論文中，中山大學(xué)副教授黃軍就用無活性（不會發(fā)展成真正生命體）的人類胚胎細(xì)胞做研究。他的團(tuán)隊利用CRISPR技術(shù)修復(fù)了乙型地中海貧血病（一種先天遺傳性疾病）的缺陷基因，探索了今后治療某些遺傳疾病的可能。

但是，黃軍就和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的“脫靶”現(xiàn)象。基因操作的一個主要目標(biāo)是糾正明顯有害的突變，因此，避免引入另外的突變至關(guān)重要。目前的技術(shù)是在基因的特定靶向空間、靶向位點改變原有的遺傳信息。但本質(zhì)上，糾正一個基因可能就需要在10個其他基因或基因組中的許多部位引入突變。基因是可遺傳的，如果生物體在胚胎期就受到人為的控制，下一代的健康及身體狀況會很難預(yù)測，且可能產(chǎn)生不可控的后果，乃至整個人類的基因圖譜都可能被重寫。

黃軍就認(rèn)為，他們觀察到的這一現(xiàn)象可能只是冰山一角，因為他們只對基因組非常小的一部分進(jìn)行編輯。“如果我們面對的是所有已知的基因組，那么這種脫靶率可能會更高。”該團(tuán)隊對86個胚胎進(jìn)行了操作，花了48小時進(jìn)行觀察。最后，在71個存活下來的胚胎里僅28個胚胎的DNA片段被編輯，而且其中只有一小部分保留了所預(yù)計的DNA信息。“如果你想在健康正常的細(xì)胞里操作，那么這些DNA信息的保存度一定要接近100%。”黃軍就表示，“我們不得不停下手頭的實驗。因為顯然，這種基因編輯技術(shù)還太不成熟。”

飽受爭議的除了CRISPR技術(shù)的可靠性，還有它涉及的社會倫理問題。隨著基因測序技術(shù)平臺的效率提高，樂于接受基因檢測的人群數(shù)量將會大幅上升，特別是在產(chǎn)檢的時候——每個父母都想讓自己的孩子更加健康、完美。CRISPR的操作簡單，而且可以直接刪除特定變異基因。如果能在胚胎期就完全抹除帶有癌癥、殘疾、心血腦等遺傳性疾病的基因，何樂而不為？

可以想象，假如基因編輯技術(shù)發(fā)展到一定階段，一個聰明、美貌、健康、長壽的新貴族可能會成為“基因特權(quán)階級”。擁有權(quán)力的人會如何使用這些技術(shù)？變異的優(yōu)生學(xué)政策會不會出現(xiàn)？萬一部分基因產(chǎn)生變異，X戰(zhàn)警那樣的超能力人群或新型物種會不會存在？

《設(shè)計嬰兒：生殖技術(shù)的美麗新世界》一書的作者羅杰·戈斯登（Roger Gosden）認(rèn)為，嬰兒同我們一樣是獨立個體，我們沒有資格成為設(shè)計者。新生兒的獨特性是神圣不可侵犯的，而這種獨特性首先就體現(xiàn)在其出生時候的偶然性和不確定性上。

實際上，對于基因編輯的倫理道德討論已經(jīng)非常熱烈。2015年12月，一場針對人類基因編輯的倫理問題的會議在華盛頓舉辦。該會議邀請了學(xué)者、醫(yī)學(xué)界、法律界、民間病患權(quán)益團(tuán)體、政府、商業(yè)人士參加，而大會討論環(huán)節(jié)由 CRISP-Cas9技術(shù)公認(rèn)的權(quán)威詹妮弗·杜德娜主持。她認(rèn)為，該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用速度非常快，在醫(yī)生、科研人員和公眾都完全明白基因編輯的含義、影響及可能的后果之前，應(yīng)該叫停人類胚胎的基因編輯工作。

但目前，CRISPR技術(shù)的發(fā)展還處在初期，它為生物醫(yī)學(xué)帶來的突破與革新的前景是那么誘人，以至于這一領(lǐng)域的研究人員似乎還無暇顧及太遠(yuǎn)的未來。

2016年1月，對人類胚胎進(jìn)行基因編輯被英國人類受孕與胚胎學(xué)管理局（HFEA）首次放行，相關(guān)實驗將在近期開始。研究人員希望通過CRISPR-Ca9技術(shù)，加深現(xiàn)有對人類早期發(fā)育階段的了解。這一實驗將在卵子受精之后的7天之內(nèi)施行。該實驗的主導(dǎo)者凱西·尼亞坎博士接受BBC采訪時說，“我們非常想知道，要從一個胚胎成長為一個健全的嬰兒，需要怎樣的基因。流產(chǎn)與不孕不育實在太常見，但是卻一直沒有人完全理解這種現(xiàn)象為何會發(fā)生。”但目前，將接受過基因編輯的胚胎植入母體的做法還是違法的，因而在7天實驗結(jié)束后，這些胚胎將被廢棄。

人類遺傳學(xué)警告組織（Human Genetics Alert）的創(chuàng)始人大衛(wèi)·金博士告誡說，英國監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)是未來基因訂制這盤大棋的第一步，也是一種“消費導(dǎo)向優(yōu)生學(xué)”的開始。而哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的喬治·邱吉則持相反意見，他認(rèn)為，禁止基因編輯的任何實驗只會阻止尖端醫(yī)學(xué)的發(fā)展，并迫使人們將其轉(zhuǎn)移到地下非法經(jīng)營。

目前，CRISPR-Cas9在治療疾病或編輯人類胚胎基因上的潛力較被重視。但評論指出，基因編輯只是CRISPR眾多用處中的一個，真正的革命將在實驗室發(fā)生。CRISPR最突出的優(yōu)點是在廣袤的基因組里定位，找到目標(biāo)位點。對于分子生物學(xué)，CRISPR是強(qiáng)有力的研究基因組的工具；對于人類基因組研究，它能幫助解釋每個基因的功能及屬性；對于合成生物學(xué)，它能構(gòu)建復(fù)雜的生物通路，創(chuàng)造更復(fù)雜的行為……未來，還會有更多的資源投入到更宏大的計劃中，如徹底理解細(xì)胞系統(tǒng)和疾病的復(fù)雜性，重建生物通路，甚至是編輯整個生物網(wǎng)絡(luò)。

眼下，基因編輯過程中發(fā)生的“脫靶效應(yīng)”可能帶來未知的后果。而長期以來，該技術(shù)在哲學(xué)、政治、社會學(xué)、宗教倫理道德上也會被審視和批判。盡管如此，很多人同意，基因編輯技術(shù)在基礎(chǔ)研究層面上的意義是極其深遠(yuǎn)的，邁向生物醫(yī)學(xué)新時代的大門不應(yīng)輕易被關(guān)上。