基因編輯技術改寫“生命天書”

湯波

基因編輯是最近十幾年發展起來的一種新興生物技術。優秀的園丁用一把輕便鋒利的剪刀，可以修剪出一株株美麗絕倫的花束;科學家用基因編輯工具，可以對任何生物的任何基因進行任意的剪切和修飾，因此基因編輯工具也被人們形象地稱為“基因魔剪”。而基因編輯最令人期待的是在治療艾滋病、遺傳病和癌癥等惡性疾病方面的巨大應用前景。

細菌的看家本領

研究發現，由于基因突變引起的人類遺傳病多達7000種以上，全世界遺傳病患者多達3.5億人。有些人攜帶突變的基因并不表現出病征，但他們的后代則可能要承受嚴重病痛的折磨，甚至失去生命，給后代和家庭帶來難以治愈的傷痛。

科學家們一直在尋找能解決這一痛苦的終極武器，希望將致病的突變基因“撥亂反正”;要么對攜帶者或患者本人的致病突變基因進行修正，解除患者的痛苦;要么對父母性細胞的突變基因進行修正，以防止他們的子女遺傳其致病基因，從而根除那些致命的遺傳病。

基因編輯技術示意圖

幾十年來，科學家苦苦尋覓，無奈收效甚微。直到近十幾年，科學家從細菌身上找到了一些“基因編輯”工具，讓這個根治人類遺傳病的美好愿景有望變為現實。基因編輯技術其實是存在于細菌和古菌體內的一種防御系統。病毒在感染細菌和其他生命體之后，會將病毒的遺傳物質整合到宿主的基因組中，借助宿主的基因復制過程來繁衍自己的后代，這下可把宿主給害慘了，被病毒感染的宿主輕則大病一場，重則丟了小命。幾十億年來，病毒一直干著這種損人利己的事兒，踏著其他生物的尸體，壯大了自己的隊伍。為了對付病毒的侵襲，細菌和古細菌進化出一種能對入侵病毒DNA進行精準刪除或改寫的本領，而這種本領正是基因編輯。

今天，基因編輯技術看起來似乎“無所不能”，其實它也是一步步不斷發展完善起來的。

接受基因編輯治療的1歲白血病女嬰菜拉

20世紀90年代，一種名為鋅指核酸酶（ZFN）的技術誕生了。鋅指核酸酶包括鋅指蛋白和核酸內切酶兩個組成部分，前者負責識別基因組DNA中特異序列，相當于word軟件中的“查找”工具，可以定位到某個特定詞語，后者則負責將DNA切斷，利用細胞自身DNA損傷修復功能，實現對目的基因的修飾，相當于word軟件中的“剪切”工具，能輕松剪切掉這個特定詞語。由于ZFN技術能像Word軟件編輯文字一樣對目的基因進行修改，較之前的同源重組技術大幅提高了基因敲除的效率，從而被稱為“第一代基因編輯技術”。隨后十多年里，它一直都在生物學界獨領風騷。

不過，ZFN技術并不能對基因組中任何位點進行修改，脫靶效應較高，也就是說存在較多的非特異編輯，不僅構建成本高，而且費時費力。到2009年，科學家們又開發出另一種與其類似的基因編輯技術體系，即類轉錄激活樣效應因子核酸酶（TALEN）技術，這是第二代基因編輯技術。該技術只是將識別DNA序列的元件改為TALE 蛋白，雖然TALEN構建起來確實比ZFN容易得多，不過同樣也存在較高的脫靶效應。

2012年，美國加州大學伯克利分校的科學家開發出一種全新的基因編輯技術，即2015年被美國《科學》雜志評為十大年度科學突破之首的CRISPR/Cas9技術，這就是第三代基因編輯技術。不同的是，前兩種基因編輯技術的“查找”工具是酶類，設計和制作成本較高，而CRISPR/Cas9技術是用一種成簇的、規律間隔的短回文重復序列的RNA來尋找靶向序列。由于設計和制作RNA比蛋白質簡單，不僅構建成本得到大幅降低，而且可以精確到單個堿基，脫靶效應也得到了極大的改善。這項技術迅速走紅起來，基因編輯技術也像“風暴”一樣席卷整個生命科學領域。在短短兩三年時間內，幾乎所有常見的微生物、植物和動物，甚至是人類細胞和胚胎，都可用這項技術加以遺傳改造，展現出各種令人驚喜的前景。其中，基因編輯技術最重要的應用領域是基因治療。

改造免疫細胞

現今的基因編輯療法主要有三種，第一種是利用基因編輯技術，將患者自身的免疫細胞、造血干細胞或其他細胞取出并加以修復，然后輸回到患者體內，讓修復的細胞來治療艾滋病、白血病、癌癥等惡性疾病，療效顯著。

基因編輯免疫治療示意圖

據2014年3月的《新英格蘭醫學雜志》披露，來自美國賓夕法尼亞大學和美國Sangamo生物技術公司的研究人員進行過一種實驗，他們利用鋅指酶（ZFN）技術對艾滋病患者CD4-T細胞中的CCR5基因進行編輯，并將這些基因編輯CD4-T細胞注射到12名艾滋病患者體內。

為什么要對免疫T細胞的CCR5基因進行編輯呢？據美國《科學》雜志報道，一個攜帶艾滋病病毒十多年、后來患有白血病的德國男子蒂莫西·雷·布朗，在為治療白血病接受捐獻者的骨髓干細胞移植之后，體內的艾滋病病毒竟然奇跡般消失了。從2006年到現在，布朗體內幾乎檢測不到艾滋病病毒的遺傳物質，這些病毒更未被復制。之后，醫生們給布朗停用了抗艾滋病藥物，并宣布布朗成為世界上第一個艾滋病徹底治愈者。后科學家研究發現，在布朗所接受捐獻的骨髓干細胞中含有突變的CCR5蛋白，它能有效阻止艾滋病病毒的入侵，這是布朗能戰勝艾滋病病毒的最主要原因之一。之后，科學家們根據這一原理，利用基因編輯技術對免疫系統中T細胞或造血干細胞的CCR5基因進行突變，期望建立一套像布朗一樣、可復制的艾滋病治愈方法。

被注射基因編輯CD4-T細胞一周后，患者血液中正常CD4-T細胞會大幅增加，多數患者的HIV DNA水平顯著下降，其中有一名患者血液中已檢測不到HIV RNA。隨著這一實驗的成功，美國Sangamo生物技術公司已啟動了對另外70位艾滋病患者的類似臨床試驗，有望開辟一條治愈艾滋病的新途徑。

2015年11月5日，英國《自然》雜志報道了一個基因編輯技術治療白血病女嬰的案例。這個一歲的女嬰名叫萊拉，被診斷患有白血病，之前接受多次常規治療均告失敗。在無計可施之際，萊拉的父母同意倫敦大奧蒙德街醫院的醫生采用基因編輯新療法放手一搏。醫生們將事先經TALEN編輯的健康捐獻者T細胞注射到萊拉血液中，很快萊拉的病情出現好轉。之后，萊拉的主治醫生還計劃對另外10～12個白血病患者采取相同的治療方法。

基因編輯胚胎

2016年11月，四川大學華西醫院腫瘤科主任盧鈾團隊在國際上率先開展了一例基因編輯技術治療轉移性非小細胞肺癌的臨床試驗，以期建立肺癌治療新方法。另據2018年1月23日報道，杭州市腫瘤醫院吳式琇團隊已對86名癌癥患者實施了CRISPR/Cas9基因編輯免疫治療，也就是用基因編輯技術改造患者自身的免疫細胞，然后將其輸回患者體內，用來對付癌癥細胞。接受治療的人中，有些患者的癥狀得到顯著改善。

剪除遺傳病

第二種基因編輯療法是利用基因編輯技術，先將具有遺傳缺陷的生殖細胞或胚胎修正，再將這些修正后的胚胎移植到母親的子宮中，出生的嬰兒將不再遺傳父母所患的遺傳病。

2015年4月，我國中山大學黃軍研究團隊首次在學術期刊《蛋白質與細胞》上公布了對人類胚胎進行CRISPR/Cas9基因編輯的消息。不過，研究人員采用的是醫院丟棄的問題胚胎，并不能成功孕育出嬰兒。該研究的主要目的是對導致β型地中海貧血的突變基因進行基因編輯，以研究治療或根除β型地中海貧血的可能性。

2016年4月，廣東醫科大學附屬第三醫院范勇博士領導的團隊公開了第二例基因編輯人類胚胎的研究進展。據他們發表在《輔助生殖與遺傳學期刊》的論文內容顯示，從2014年4月至9月，研究人員從87名志愿者那里收集了213枚三原核受精卵。三原核受精卵屬于人工授精技術中不能正常發育成胎兒的問題胚胎，因此常被用于人類生殖的基礎研究。研究人員采用CRISPR/Cas9工具，對這些三原核受精卵中的基因CCR5進行編輯，共獲得4個對HIV病毒抵抗力顯著增強的突變型胚胎，并在3天時間內對這些胚胎進行了銷毀。這項研究同樣引起了國際頂級學術期刊《自然》、《科學》以及眾多媒體的廣泛關注。

2017年8月2日，英國《自然》雜志發表了一篇關于人體胚胎基因編輯的論文，研究人員采用正常人的卵子和攜帶一種與遺傳性心臟疾病“肥厚型心肌病”有關的基因變異的精子體外受精，產生受精卵，在早期胚胎發育階段利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，成功修正了該基因突變。在此項研究中，約有70%的胚胎突變基因得到修正，研究人員計劃進一步改進相關技術，使基因編輯的效率提高到90%以上，甚至接近100%，屆時將推進這一研究進入臨床試驗。研究人員聲稱，這是人類首次對人類胚胎進行安全、準確和有效的基因編輯。

目前，基因編輯技術還在A型和B型血友病、利伯氏先天性黑內障、杜興氏肌肉營養不良癥、β型地中海貧血癥、囊性纖維化病和α1-抗胰蛋白酶缺乏癥等遺傳病治療方面展現出巨大的應用前景。

當然，對人類胚胎等生殖細胞進行基因編輯還是存在巨大爭議，以生殖為目的的基因編輯仍然是絕對的研究禁區。2017年8月3日，美國人類遺傳學協會、英國遺傳學護士與咨詢師協會、加拿大遺傳咨詢協會、國際遺傳流行病協會和亞洲遺傳咨詢師職業協會等11個機構，在《美國人類遺傳學雜志》上聯合發布了一項政策聲明，呼吁“謹慎而積極”地開展生殖細胞基因編輯，認為應繼續推進基礎研究，但反對把這項技術用于生殖目的。

修復活體基因

上述基因編輯療法主要是在胚胎早期對基因進行修正，但是對于那些已經出生或長大成人的遺傳病患者就愛莫能助了。幸好，科學家很快開發出了第三種基因編輯療法，這種療法將對遺傳病患者的突變基因進行直接修復。

接受基因編輯活體治療的第一人

2017年11月，美國男子布萊恩·馬德成為第一個接受這種活體基因編輯治療的患者。馬德患有一種名為亨特氏綜合征的罕見遺傳病，該病的發病率為10～17萬分之一，主要為男性患者。

每位亨特氏綜合征患者細胞內都含有IDS基因致病突變，該基因原本負責合成一種可分解有毒碳水化合物的酶，一旦發生突變，則不能產生足夠有活性的酶，那么有毒物質就會在肝臟等器官堆積，進而引發器官衰竭，患者一般都活不過20歲。

科學家向馬德體內注射一種含有腺相關病毒（AAV）、鋅指核酸酶（ZFN）和正常IDS基因的藥物。腺相關病毒負責將鋅指酶和正常IDS基因準確遞送到馬德的肝臟細胞，到達肝臟細胞之后，鋅指酶則負責將馬德肝臟細胞IDS基因已突變的部分剪掉，換上正常的IDS基因。

科學家希望這種療法最終能修復馬德的肝臟細胞，讓其產生正常的酶類，從而分解有毒物質。據科學家介紹，并不需要所有肝細胞都被修復，只需要1%的肝細胞被成功修復，馬德的亨特氏綜合征就將得到有效治療。

這些基因編輯技術的臨床治療是否能創造奇跡，且讓我們拭目以待。不過，一旦獲得突破，基因編輯將為那些飽受遺傳病、艾滋病、癌癥折磨的患者帶來新生的希望，也必將引領人類健康革命。