CRISPR：具有劃時代意義的基因編輯工具

編譯 毛毛熊

這種新型技術(shù)是治療遺傳疾病的關(guān)鍵所在，并且可能是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)。

講述一個看不見摸不著并且很難用語言解釋的事情對于我們來說相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。縱觀人類歷史，下面要提到的這個故事“主角”在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有劃時代意義。它被稱為CRISPR，全稱為成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列（Clusterd Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）。CRISPR聽起來更像是一個冷藏室，而不像是一個基因編輯技術(shù)，但是它卻實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家之前朝思暮想之事——輕松編輯DNA——允許科學(xué)家重新編輯生物的遺傳密碼。這種能力開啟了治愈遺傳疾病的可能性。一些研究人員甚至試圖利用這個技術(shù)來糾正人類胚胎發(fā)育中的缺陷基因從而預(yù)防人類遺傳疾病。為親眼所見，比爾·惠特克（Bill Whitaker）去采訪了一位身處CRISPR熱潮中的科學(xué)家。

惠特克：這就是CRISPR?

張鋒：這里面就有CRISPR。

惠特克: 所以這就是對科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)具有劃時代意義的工作？

張鋒：這就是目前很多科學(xué)家在研究工作中使用的技術(shù)，部分科學(xué)家正在嘗試將其開發(fā)為治療癌癥的新手段。

惠特克：聽起來太瘋狂了！

張鋒：沒錯。

這項(xiàng)小小的技術(shù)正在引發(fā)一場可能改變未來疾病醫(yī)治方式的大革命。這項(xiàng)技術(shù)背后隱藏了無數(shù)個具有創(chuàng)新理念的科學(xué)家，其中之一就是長著一張娃娃臉的張鋒。

36歲的張鋒已經(jīng)是麻省理工學(xué)院的終身教授和科學(xué)名人，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一種利用CRISPR技術(shù)來重構(gòu)人類基因密碼的方法。

惠特克：所以，CRISPR技術(shù)不是液體，CRISPR技術(shù)是在……

張鋒：CRISPR技術(shù)溶解在液體中，可能會有數(shù)十億個CRISPR的小分子。

張鋒正在與記者比爾·惠特克交談

惠特克：數(shù)十億？

張鋒：沒錯！我們利用它的方式是將液體涂抹在細(xì)胞上。

過去7年，張鋒一直在馬薩諸塞州坎布里奇市博德研究所從事CRISPR的研究工作。這里是一個研究者的圣地，匯集著來自哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的一些頂尖科學(xué)家，這些科學(xué)家都在從事著與疾病作斗爭從而造福人類的工作。CRISPR技術(shù)使得醫(yī)學(xué)研究變得更快、成本更低廉同時使獲得結(jié)果更容易。張鋒的同事預(yù)測這項(xiàng)技術(shù)將會幫助人類最終戰(zhàn)勝癌癥和神經(jīng)退行性疾病等。

大約有6 000種以上的疾病是由于基因缺陷引起的，我們希望通過我們的工作能夠治愈大多數(shù)與遺傳相關(guān)的疾病。

惠特克：大約有多少種疾病可以使用這種技術(shù)來獲得治療？

張鋒：大約有6 000種以上的疾病是由基因缺陷引起的。我們希望能夠通過這項(xiàng)技術(shù)使得大多數(shù)疾病獲得治療。

惠特克：大多數(shù)？為什么不是全部呢？

張鋒：全部疾病通過這項(xiàng)技術(shù)獲得治療是我們長期的目標(biāo)。

惠特克：像亨廷頓這樣的疾病？鐮狀細(xì)胞貧血癥？

張鋒：是的，肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥和血友病都算。

艾瑞克·蘭德（Eric Lander）：我認(rèn)為CRISPR技術(shù)可能是21世紀(jì)迄今為止最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，或許是最為重要的發(fā)現(xiàn)。

為了搞清楚CRISPR的機(jī)制，惠特克去找蘭德。蘭德給惠特克上了一堂科普課。蘭德目前任職博德研究所主任，也是張鋒的導(dǎo)師。他在科研領(lǐng)域最廣為人知的成就是作為人類基因組計(jì)劃項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

蘭德：在參與人類基因組計(jì)劃項(xiàng)目期間，我們能夠測出所有人類的DNA。幾年之后我們還發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致人類疾病的DNA錯誤序列，但是我們對于這些錯誤序列無能為力。后來發(fā)現(xiàn)細(xì)菌居然有辦法來修復(fù)這些錯誤序列。

惠特克：這些令人振奮的發(fā)現(xiàn)來自細(xì)菌？

蘭德：是的。縱觀其一生，細(xì)菌都面臨著各種各樣的問題。為了應(yīng)對各種問題，它們有一套獨(dú)特的解決方案。當(dāng)它們被病毒感染時，它們會保留一部分的DNA，并用這一部分DNA來喚醒自己。這些細(xì)菌體內(nèi)有個叫作CRISPR的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠識別這部分的DNA，并在周圍繼續(xù)搜尋，并且這個系統(tǒng)會提醒自己：“如果我再次看到這些受到感染的DNA片段，我就把這些片段截斷切掉。”

張鋒使用細(xì)菌中的CRISPR系統(tǒng)來編輯人體細(xì)胞中的DNA。我們?nèi)梭w的DNA由縮寫為A、T、C、G的4個堿基組成。正如你在麻省理工學(xué)院張鋒的實(shí)驗(yàn)室中所看到的那樣，在這些基因指令中引起疾病的突變就像是一個錯別字。如果科學(xué)家們能夠識別出這些“錯別字”該多好！進(jìn)而他們嘗試改編CRISPR系統(tǒng)來糾正這些錯誤。

惠特克：你改編的？

張鋒：沒錯。

惠特克：CRISPR系統(tǒng)會在上百萬的DNA堿基序列中穿梭，準(zhǔn)確地定位到你處理的堿基？

張鋒：完全正確。CRISPR系統(tǒng)能夠讓你做很多事情，你可以剪切這些堿基，同時也可以編輯這些堿基。

惠特克：所以你能夠剪切掉這些與疾病相關(guān)的堿基，同時加入你想要的堿基？

博德研究所主任艾瑞克·蘭德正在與記者惠特克進(jìn)行交談

裝有 CRISPR的離心管

張鋒：是的。你可以給這些細(xì)胞一套全新的遺傳密碼，這些遺傳密碼將會攜帶那些你想整合進(jìn)入細(xì)胞基因組的新序列。

惠特克：真是太了不起了！

張鋒：這的確很酷。

惠特克：世界上還有多少其他的實(shí)驗(yàn)室也在從事類似CRISPR的研究工作嗎？

張鋒：還有很多。我們一直在做的一項(xiàng)工作就是讓相關(guān)研究人員一直能夠使用這個技術(shù)。迄今為止，我統(tǒng)計(jì)了一下，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在61個國家，2 200個實(shí)驗(yàn)室中被使用超過45萬次。

惠特克：他們使用這個技術(shù)來做什么呢？

張鋒：CRISPR可以用在很多方面，這項(xiàng)技術(shù)就像是生物界的瑞士軍刀，無所不能。

我們來看看全球生物界使用CRISPR技術(shù)的狂潮。在加州大學(xué)，科學(xué)家們使用一種CRISPR技術(shù)來編輯蚊子的基因，使得它們無法傳播瘧疾；同樣在加州大學(xué)，另一些科學(xué)家在修改大米的基因，使得它們能夠更好地抵御洪水和干旱；在中國，科學(xué)家在小獵犬身上調(diào)整了一個基因，使得它們的肌肉更加結(jié)實(shí)和發(fā)達(dá)。

一個盛裝有張鋒實(shí)驗(yàn)室CRISPR的離心管被送到張康博士那里。他是加州大學(xué)圣地亞哥分校的一名眼科醫(yī)生和醫(yī)學(xué)教授。

惠特克：當(dāng)你第一次聽到CRISPR技術(shù)時，你當(dāng)時是什么樣的感覺？

張康：我有點(diǎn)懷疑。

惠特克：為什么會懷疑？

張康：很多科學(xué)家利用這個技術(shù)在生物體內(nèi)順利完成實(shí)驗(yàn)，這難以置信。

張康博士打算對患有視網(wǎng)膜色素變性的小鼠進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這是一種遺傳性的失明癥。他對患有這種疾病的小鼠模型進(jìn)行了視力測試。

惠特克：這些都是失明的小鼠嗎？

張康：是的。這些小鼠都患有遺傳性的失明癥。而且，很顯然你可以直接看到這些小鼠在動物行為學(xué)測試中的表現(xiàn)，它們都看不到旋轉(zhuǎn)的條紋。

研究人員將CRISPR系統(tǒng)注射入另外一只失明小鼠的眼睛，這些注射入小鼠體內(nèi)的CRISPR系統(tǒng)技術(shù)被改編為去發(fā)現(xiàn)與遺傳性失明相關(guān)的主要基因，并將這個基因關(guān)閉。這個實(shí)驗(yàn)需要3個月才能看到結(jié)果。

張康：現(xiàn)在讓我們看看這只小鼠是如何對光線做出反應(yīng)的。

惠特克：這個小鼠正在根據(jù)光線的變化做出反應(yīng)。

張康：是的。

惠特克：看那里，你確信這只小鼠看到了這些燈光嗎？

張康：這是動物行為學(xué)測試中非常常用的視力測試方法。

惠特克：它們的視力恢復(fù)了大約多少？

張康：對于小鼠來說，大約恢復(fù)了30%～50%。

張康博士的下一個研究目標(biāo)是測試CRISPR系統(tǒng)如何在與我們?nèi)祟惤墑游镏袑?shí)現(xiàn)其功能。他給我們發(fā)送了一段視頻，這段視頻展示了他在中國實(shí)驗(yàn)室的研究工作，在那里他研究了患有色素性視網(wǎng)膜炎的猴子。失明的猴子往往忽略身旁的食物。那只猴子接受了CRISPR的治療后，我們很容易看出它與其他猴子的差異。張康博士希望盡快在人體中開展相同的測試工作。

如果CRISPR技術(shù)用于疾病的治療或者制造藥物，這就意味著可以賺取巨額的利潤。博德研究所和張鋒博士持有CRISPR技術(shù)在美國人體細(xì)胞中使用的主要專利。但是沒有任何技術(shù)能夠憑空被發(fā)現(xiàn)。加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)為CRISPR技術(shù)發(fā)現(xiàn)做出了有里程碑意義的工作。

近日，她與張鋒博士和博德研究所對簿公堂，她堅(jiān)持認(rèn)為張鋒的發(fā)現(xiàn)源于她的團(tuán)隊(duì)所做的突破性工作。很多預(yù)測顯示CRISPR技術(shù)在未來10年內(nèi)的市場價值將高達(dá)數(shù)十億美元。

惠特克：這對你意味著巨大的生意和利潤嗎？

張鋒：我認(rèn)為我們現(xiàn)在對CRISPR技術(shù)的發(fā)展和利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有進(jìn)入真正的治療領(lǐng)域。

惠特克：我認(rèn)為你有點(diǎn)謙虛。我是說這項(xiàng)技術(shù)引發(fā)了生物醫(yī)學(xué)方面令人難以置信的熱潮，而你身處這個熱潮的中心。

張鋒：我認(rèn)為仍然還有很多工作需要完成。我們需要把這個系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，使其足夠高效，同時確保這個系統(tǒng)在使用時足夠安全。這些工作都是我們目前面臨的挑戰(zhàn)，我們還需要繼續(xù)努力才能實(shí)現(xiàn)。

雖然這個技術(shù)目前還不能阻止一些人死于致命的疾病，但是在未來的十年和幾十年內(nèi)CRISPR技術(shù)將會顯現(xiàn)其真正的實(shí)力。

但是，如果這個技術(shù)已經(jīng)能夠阻止疾病的發(fā)展了呢？雖然這聽起來像科幻小說，但位于俄勒岡州波特蘭市的一個研究小組發(fā)表聲明說，利用CRISPR技術(shù)已經(jīng)使得阻止疾病的發(fā)生成為現(xiàn)實(shí)。

惠特克：你們在生命的最初階段就糾正了遺傳序列的錯誤。

以舒哈拉特·米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）：是的。

惠特克：胚胎還在子宮中發(fā)育的階段？

米塔利波夫：甚至是胚胎在子宮中發(fā)育之前的階段我們就介入了。

胚胎技術(shù)一直是米塔利波夫科研生涯中的焦點(diǎn)。他在俄勒岡州健康和科學(xué)大學(xué)開設(shè)了一個胚胎細(xì)胞和基因治療中心。米塔利波夫是一位特立獨(dú)行的人，他經(jīng)常利用其創(chuàng)新的甚至是有爭議的方法來預(yù)防人類的遺傳疾病，這使得他經(jīng)常成為新聞頭條人物。

米塔利波夫：在疾病發(fā)作之前進(jìn)行預(yù)防才是一種高效處理辦法，一旦預(yù)防到位就不會再發(fā)作，特別是在我們討論遺傳性的疾病時。因此，米塔利波夫和一個國際研究團(tuán)隊(duì)決定在人類胚胎中使用CRISPR技術(shù)來糾正導(dǎo)致致命性心臟病（肥厚型心肌病）的單基因突變。

他們從患有這種疾病的男性身上獲得了精子，同時從捐獻(xiàn)者那里獲得健康的卵子。在卵子受精的同時，他們向受精卵注射了CRISPR。為了便于觀察，米塔利波夫使用顯微鏡程序使得受精卵放大了300多倍。

米塔利波夫：在顯微鏡下我們看到移液器中的精子。這些精子已經(jīng)暴露于CRISPR溶液中。另外一側(cè)是卵子，所以我們需要做的就是穿破卵膜，讓卵子受精。瞧，現(xiàn)在精子正在與卵子匯合。

惠特克：你已經(jīng)改變了胚胎的基因命運(yùn)。

米塔利波夫：我們相信是這樣的。

這些胚胎不會被移植進(jìn)入子宮，它們會在孵化器中被觀察3天，然后檢查這些胚胎是否攜帶疾病相關(guān)基因。

通常情況下，這些胚胎會有50%攜帶致病基因。米塔利波夫說，使用了CRISPR技術(shù)完成基因的改造后，72%胚胎不會攜帶導(dǎo)致心臟病的基因突變。

惠特克：這是一個科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的巨大進(jìn)步。

米塔利波夫：我們希望如此。不過，我認(rèn)為我們還處于這項(xiàng)技術(shù)的早期階段。

米塔利波夫知道他的試驗(yàn)結(jié)果在被科學(xué)界接受之前必須由其他實(shí)驗(yàn)室重復(fù)出來。但是如果他們能夠堅(jiān)持下去，終究有一天CRISPR技術(shù)可以用來幫助一代代都遭受遺傳疾病困擾的家庭。

惠特克：這就是你做這件事的動力？

米塔利波夫：是的，當(dāng)然了。這些孩子們遭受痛苦，孩子的父母對我說過：“我把這個疾病傳給了我的孩子。這就像是我給孩子造了這種疾病一樣。”我想現(xiàn)在我們有一個技術(shù)可以幫助這些不幸的家庭。

米塔利波夫目前也有顧慮，就是他的研究已經(jīng)為那些不負(fù)責(zé)任的醫(yī)生設(shè)計(jì)了藍(lán)圖——編輯胚胎基因進(jìn)而使嬰兒更聰明、更高大、更強(qiáng)壯。不過米塔利波夫也表示，目前看起來還不太可能。

惠特克：你的批評者認(rèn)為你在扮演上帝的角色。

米塔利波夫：我認(rèn)為，每一種治療疾病的方法都在扮演著上帝的角色。上帝給了我們大腦，所以我們可以找到一種方法來消除罹患疾病的人的痛苦。

惠特克：那么你怎么看待通過編輯胚胎基因來預(yù)防疾病？

張鋒：我們還不太了解生物的復(fù)雜程度。例如，我們知道有一個叫做PCSK9的基因，如果你敲除這個基因，可以顯著減少人類罹患心血管疾病及心臟病的風(fēng)險。但是最近研究也顯示，這同時會增加人類罹患糖尿病的風(fēng)險。這種情況你怎么來做平衡決斷呢？而且可能還會有其他對人類未知的影響存在，而我們還無法確定。所以，我認(rèn)為對于這項(xiàng)技術(shù)的使用我們需要耐心并保持謹(jǐn)慎。

蘭德：我認(rèn)為我們還沒有做好準(zhǔn)備使用這項(xiàng)技術(shù)來編輯人類的基因。不過，我想終究有一天我們會把這項(xiàng)技術(shù)用于藥物研發(fā)進(jìn)而治療人類疾病。我認(rèn)為這是緊迫的問題，這也是人們現(xiàn)在想要的。

這些亟待解決的問題很快就會有答案。美國一項(xiàng)小規(guī)模的臨床試驗(yàn)正在招募患者，這是美國歷史上首例使用CRISPR技術(shù)治療某些類型癌癥的臨床試驗(yàn)。