揭秘基因編輯與基因治療

□華中師范大學生命科學院 羅 勤

眾所周知，目前人類許多疾病都來源于基因缺陷，如先天性遺傳性疾病、某些惡性腫瘤等，此類基因疾病往往是天生的、罕有的，甚至沒有相關藥物治療。這類疾病將來有沒有可能得到根治？生命科學領域最火爆的基因編輯技術，為我們給出了肯定的回答：基因編輯與基因治療為徹底治愈先天性遺傳病、腫瘤、艾滋病及其他惡性疾病開辟了全新的路徑。

什么是基因編輯技術？多數人的知識基礎僅限于知道 DNA 雙螺旋結構這個層次，所以筆者不自量力來解說一下這種火爆的技術，以及近期進展神速的基因治療，希望能對基因編輯與基因治療感興趣的讀者有所啟發。

基因編輯如同word文檔

1866年，一位名叫孟德爾的奧地利學者在進行豌豆雜交試驗時，發現一些可以遺傳母代特征的因子，它們決定了豌豆表皮是光滑的還是褶皺的，為黃色還是綠色。至此，人類踏上了探索基因的旅途。在這漫長的150年中，科學家認識到基因的結構、突變、化學成分、功能……基因對于生物來說就像是大自然譜寫的代碼，在DNA不朽的雙螺旋結構中，它們神奇的排列組合造就了今日獨具特色的個體。

人類的DNA是一個長長的雙螺旋鏈條，如同一把扭曲的梯子，又類似一本厚厚的書，基因便是嵌在上面的字母（A、T、C、G）。這些字母經過排列組合，形成特定的基因片段，這些片段決定了我們的特征——身高、瞳孔顏色甚至是壽命。但是有些基因的排列會發生“錯誤”，它讓我們很容易患上某種嚴重的疾病，因此科學家們嘗試通過基因編輯來糾正有缺陷的基因，如同作家潤飾一篇文章中的敗筆。

基因編輯，就像在word文檔中修改一兩個詞語，我們需要通過查找工具鎖定這些詞語的位置，選中，刪除，接著在同樣的地方輸入我們想要的內容，最后點擊“保存”按鈕，便完成了詞語的修改。同樣地，科學家們利用一些蛋白質（如鋅指蛋白、TALE 蛋白）或者RNA來搜索目標基因組，鎖定“有問題”的那段基因，然后利用核酸內切酶等手段進行切割，形成DNA雙鏈斷裂。若DNA鏈中出現某個缺口，細胞本身天然修復機制會盡力修復它，但也可以由科學家們復制理想中的基因片段，將它們連接到斷開的DNA鏈之間。這樣，基因編輯基本就完成。

以上過程不難理解，基因編輯核心步驟有3個主要環節——

1.“GPS”：基因編輯首先要精確識別目標DNA片段中的靶點——核苷酸序列，即鎖定“有問題”的那段基因，能夠“指哪打哪”。這樣就需要有特異識別目標DNA的 “GPS”來引導，讓基因編輯工具可以快速而準確地定位想要編輯的位點。

2.“剪刀”：在 GPS導航下完成定位以后，就需要有一把剪刀來切斷DNA雙鏈，形成切口，這把剪刀就是各種各樣DNA核酸酶。

3.“針線”：如前所述，剪開切口之后，無論是敲除、插入還是置換，隨后都需要再把切口“縫上”，這個過程是由細胞內天然存在的DNA雙鏈斷裂修復機制來實現，或者植入由科學家們復制的理想基因片段。

基因治療的3種方式

對于由基因突變引起的疾病（特別是單基因疾病），一個很容易想到的治療方法就是將致病基因替換掉或者向體內補充健康基因。類似的治療早在1990年代就已經比較廣泛地開展嘗試，然而在缺少精確基因編輯手段且對病毒等載體研究不夠充分的年代，因免疫排斥反應以及脫靶導致癌變等重大事故頻發，使得基因治療一度從高峰陷入低谷。隨著基因編輯和病毒轉染技術（特別是AAV）的逐漸成熟，近十年來基因治療又開始逐漸回暖，似乎已經到了開花結果的時候。

如今，對于因為基因突變而引發的疾病，基因治療有下述3種方式——

1.體外編輯

體內細胞既然因為突變而喪失功能甚至癌變，那么一個簡單的方法就是把細胞在體外“修好”再回輸到體內，就可以修復原先受損的功能。最典型的例子就是近幾年火爆的 CAR-T 技術（體外用病毒轉染T細胞，使其具備識別腫瘤表面某些特異性蛋白的功能），以及體外編輯干細胞等。這種方法好處是可控，畢竟編輯發生在體外，編輯完可以篩選，改得好就拿到體內用，改得不好還可以扔，不太容易出問題；壞處是在致病機制復雜或者研究不夠深入的情況下效果一般。如CAR-T技術，目前只對血液瘤效果好，就是因為血液瘤微環境比較簡單；而干細胞治療之所以進展不大，就是因為干細胞相關疾病的微環境往往很復雜，改造干細胞回輸體內之后并不能發揮預想的作用。

2.體內游離DNA表達

對于某些因為基因突變而導致一些特定蛋白缺乏所引起的疾病（比如萊伯氏先天性黑蒙癥、血友病），一個直接的思路就是把可以表達相關蛋白的基因“種”到體內，但不“種”到基因組中，而是游離在細胞質中進行表達，最典型的就是目前已經獲批的幾種病毒轉染基因療法（如FDA批準的治療遺傳性眼疾的基因藥物“Luxturna”）。這種方法好處是相對安全，畢竟改變基因組往往是不可逆的，萬一出現危險的脫靶后果就比較嚴重（這也是上世紀90年代后期出現多個死亡案例的原因）。壞處主要有二：一個是游離的病毒DNA還是有概率插入到正常基因組中，而這種插入是沒有定位的是隨機的；另一個是可能會隨著細胞分裂逐漸消耗掉，不像基因組中DNA那樣在分裂中有穩定復制，其治療可能不夠長效。

3.體內基因組編輯

這應該是基因治療方法中最被寄予厚望的，即用基因編輯技術直接在體內對突變的目標DNA 進行修改，消除致病基因，恢復機體功能。這種方法好處是有可能根治疾病，比如，亨特氏綜合征或A型血友病患者，就是體內無法正常表達艾杜糖醛酸鹽-2-硫酸酯酶（IDS）或凝血八因子，那么把IDS或八因子基因插入到基因組中，就有可能終身都能正常表達；壞處上面說過了，安全性是最大的疑慮。

整體而言，基因編輯及其治療都是前景巨大的技術，也是未來最重要的生物領域發展趨勢，科學和商業價值都不可限量，但同時我們也不應忽視目前存在的巨大隱憂和局限性。所以，無論是“基因編輯技術將徹底治愈癌癥”，還是“基因治療危險性巨大”，這兩類極端言論都有失公允。