CRISPR基因編輯技術的應用、爭議和未來

想象一下未來，父母可以定制寶寶的樣子，選擇未出世孩子的身高和眼睛顏色。所有特質都可以根據個人喜好定制：家養寵物的大小，植物的壽命等。這聽起來像是反烏托邦科幻小說，但其實這并不是遙不可及。

2012年，科學家們首次發現CRISPR，并對CRISPR（也稱為Cas9或CRISPR-Cas9）的應用感到驚訝。CRISPR可能會徹底改變我們應對一些問題的方法，如癌癥，食物短缺和器官移植。在最近的報告中，CRISPR甚至可以被用作診斷疾病的工具。但是，與任何新技術一樣，它也可能會導致意想不到的問題。

不斷變化的DNA將不可避免地導致一系列難以預想的后果。社會和各行業如果不了解CRISPR的基礎知識，就無法應用這項技術。接下來，讓我們從其定義，應用和局限性深入了解CRISPR。

什么是CRISPR？

CRISPR是細菌遺傳密碼及其免疫系統的一個定義性特征，是細菌用來保護自己免受病毒攻擊的防御系統。它也存在于古生物界（單細胞微生物）中的生物體中。首字母縮寫詞“CRISPR”——Clustered Regularly Interspaced Short Pal indromic Repeats。實質上，它是一系列重復的DNA序列，并且這些DNA之間存在“spacers”。

簡而言之，細菌利用這些基因序列來“記住”攻擊它們的每種病毒。

CRISPR將會影響的行業包括醫藥、食品、農業和工業生物技術。

細菌會將病毒的DNA整合到自己的細菌基因組中。這種病毒DNA最終成為CRISPR序列中的“spacers”。這種防御系統可以在同種病毒再次發起攻擊時給予細菌保護或免疫力。

總是位于CRISPR附近的基因，稱為Cas（CRISPR相關）基因。一旦激活，這些基因就會產生特殊的蛋白質，這些蛋白質是與CRISPR共同進化的酶。這些Cas酶能夠充當切割DNA的“分子剪刀”。

回顧一下，實際上，當病毒侵入細菌時，其獨特的DNA會被整合到細菌基因組中的CRISPR序列中。這意味著下一次病毒攻擊時，細菌會記住它并發送RNA和Cas來定位和破壞病毒。

雖然細菌中還有其他Cas酶在病毒攻擊自己時會截斷病毒，但Cas9是動物體內執行這種任務的最佳酶。大眾所熟知的術語CRISPR-Cas9是指切割動物（和人類）DNA的Cas酶的種類。

為了更好的應用這項技術，研究人員增加了一個新的步驟：在CRISPRCas9切割DNA后，攜帶“固定”基因的新DNA序列可以嵌入到新的間隔中。或者，切割可以同時“敲除”不需要的基因，例如，導致疾病的基因。

換個更加形象的說法，CRISPRCas9類似于Word中的“查找和替換”功能：CRISPR-Cas9想要查找并更正遺傳數據（或“單詞”），用新材料替換它。或者，正如CRISPR的先驅Jennifer Doudna在其A Crack In Creation：Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution一書中所提到的那樣，CRISPR就像一把瑞士軍刀，我們的使用方式不同，它發揮的功能也不同。

CRISPR研究的飛速發展，已經超越了基礎DNA編輯。2017年12月，Salk研究所設計了CRISPR-Cas9系統的不成熟版本，能夠在沒有編輯基因組的情況下激活或關閉目標基因。展望未來，這種技術可以解決基因編輯永久性的問題。

CRISPR的應用

每個行業都可以利用CRISPR：它可以為人類疾病創造新的藥物，幫助農民種植抗病作物，創造新的動植物物種，甚至讓滅絕的物種起死回生。

CRISPR研究的飛速發展，已經超越了基礎DNA編輯。

動物研究

自最初發現CRISPR以來，其應用的領域迅速擴大。雖然還處于早期階段，但“動物模型”（即實驗室動物）已經向我們展示了如何操縱CRISPR技術。

小鼠是研究CRISPR治療潛力的實驗對象。擁有超過人類90%的基因，小鼠是哺乳動物中理想的實驗對象。小鼠實驗表明，CRISPR可以消除與假肥大性肌營養不良（DMD）相關的缺陷基因，抑制神經性舞蹈病蛋白質的形成并消除HIV感染。

2015年，中國科學家通過去肌肉生長抑制素基因基因創造了兩個超級肌肉小獵犬。在沒有該基因的情況下，小獵犬表現出“肌肉肥大”，明顯比未經基因改造的犬更強壯。

其他CRISPR動物試驗包括將長絨山羊用于高產羊絨和繁殖無角奶牛。

人類研究

與動物研究相比，編輯人類DNA的CRISPR實驗發展較緩慢，主要是由于倫理和監管問題。鑒于改變人類基因組的永久性，FDA對于CRISPR的態度是謹慎的。一些科學家甚至提出應該暫停CRISPR試驗，直到我們獲得更多有關該技術對人類潛在影響的信息。

2018年，美國和歐洲進行了CRISPR人體試驗。

截至2018年2月，賓夕法尼亞大學正在等待F D A對于一項研究的最終批準。該研究旨在評估應用CRISPR治療多發性骨髓瘤，黑色素瘤和肉瘤患者的安全性。

歐洲也可能會在2018年首次進行人體CRISPR研究。CRISPR Therapeutics的研究集中在一種稱為β-地中海貧血的血液疾病上，這種疾病會導致血紅蛋白的成分改變。

雖然涉及患者參與的臨床試驗仍在等待監管機構的批準，但CRISPR已經應用于活體和非活體人類胚胎實驗中。

例如，2017年8月，由俄勒岡州健康和科學大學的生殖生物學家Shoukhrat Mitalipov領導的一個小組獲得了私人贊助，使用CRISPR-Cas9識別了導致心肌增厚的胚胎突變。突變的胚胎在實驗室將突變率恢復到了72%（高于普通50%的遺傳率）。

一些批評人士說，胚胎的基因編輯是不道德的，即使編輯過的胚胎不用于移植。目前這種類型的測試無法獲得聯邦資助，都是依靠私人贊助。

涉及的行業

CRISPR將會影響的行業包括醫藥、食品、農業和工業生物技術。由于CRISPR-Cas9基因編輯系統非常容易建立和使用，各個領域的研究人員都可以利用這項技術。

制藥和生物技術

未來的醫學將用CRISPR編寫。

目前的藥物的研發需要花很長時間，因為需要確保藥物的安全性，還需徹底了解藥物的副作用。而且，目前的美國監管政策往往導致研發進程長達數十年。然而，應用CRISPR的團隊可以將定制療法更快地推向市場，加速了傳統的藥物研發過程。

CRISPR更加便宜和靈活，它能快速地識別潛在的目標基因，進行高效的臨床前實驗。因為它可以用來“敲除”不同的基因，CRISPR為研究人員提供了一種更快，更實惠地研究成千上萬個基因的方式，方便查看哪些基因受特定疾病的影響。

當然，隨著藥物研發過程更加簡便，CRISPR提供了治療患者的新方法。

例如，單基因疾病-由單一基因突變引起的疾病—可以進行CRISPR試驗。這些疾病的性質為治療提供了確切的目標：單個基因的突變。

基于血液的單基因疾病如β-地中海貧血或鐮狀細胞也是CRISPR治療的理想對象，因為這些疾病能夠在體外進行治療（稱為離體治療）。患者的血細胞可以被取出，用CRISPR技術治療，然后放回到體內。

糧食和農業

早在20世紀20年代，酸奶公司Danisco就開創了CRISPR的早期應用，當時科學家們使用早期版本的CRISPR來對抗牛奶和酸奶中的主要細菌（嗜熱鏈球菌），該細菌總是被病毒感染。那時候，CRISPR技術仍不成熟。

由于氣候變化的影響，我們急需使用CRISPR保護糧食和農產品免受新細菌的侵害。例如，隨著種植區域變得越來越熱和干燥，可可的種植變得越來越難。這種環境變化將進一步加劇病原體造成的損害。

為了解決這個問題，加州大學伯克利分校的創新基因組學研究所（IGI）正在應用CRISPR來制造抗病可可。領先的巧克力供應商MARS Inc.也在支持這項研究。

基因編輯可以使種植更加高效。它可以緩解馬鈴薯和西紅柿等主要作物的全球糧食短缺，也可以創造出不受干旱和其他環境影響的作物。

監管機構對基因編輯作物幾乎沒有任何抵觸情緒，美國農業部（USDA）也沒有管理這一領域。這主要是因為當CRISPR應用于農作物時，不會帶來任何外源DNA：CRISPR僅用于編輯作物自身的遺傳信息，選擇理想的性狀。

2018年1月，某生物技術公司獲得CRISPR植物亞麻籽油（假亞麻）的批準，該亞麻籽油增強了ω-3油，用于制造植物油和動物飼料。

這些跡象表明，新品種的農作物比以前想象的更快地進入市場。這會影響我們吃的食物，因為食物被編輯以后，有可能以攜帶更多的營養物質或可以在雜貨架上保存更長時間。

工業生物技術

另一個不太明顯的領域是工業生物技術。使用CRISPR重新設計微生物，研究人員可以創建新材料。

這與整個社會有什么關系？從工業角度來看，這對改造和創造新的化學產品來說非常重要。我們可以改變微生物以增加多樣性，創造新的生物材料，并制造更高效的生物燃料。從香水中的活性化學物質到工業洗潔精中的活性化學物質，CRISPR會對創造新的更高效的生物材料產生巨大影響。

CRISPR的爭議

當技術可以改變生命法則時，其影響是深遠的，它的爭議也是如此。下面將列出一些關于CRISPR的主要爭議。

設計你自己的寶寶？

如果我們知道某個基因的位置在哪里，可以利用CRISPR以多種方式操縱它。按照這種邏輯，寵物主人可以用特定的毛色和尺寸設計他們想要的狗。更重要的是，父母還可以修改控制身高或眼睛顏色的基因來“設計”自己的孩子。如果我們能夠分離出與智力相關的基因，那孩子的智商也可以被操縱。

雖然批評人士說這種技術只能用于治療需求，但CRISPR的快速發展似乎不會減慢，基因編輯技術的已經被用于非治療目的手術中。

讓滅絕動物復活

最后一只長毛的猛犸象出現在3600年前。如果我們能夠讓這些古代生物起死回生，我們應該這么做嗎？目的是什么？無論是出于好奇還是為了有效的科學實驗，這個領域都頗具爭議。

簡而言之，滅絕物種復活是為了讓滅絕的動物起死回生。首先我們需要找到滅絕動物最近的活體親屬的胚胎，并使用CRISPR-Cas9在其基因中插入已滅絕物種的DNA，這樣一只已滅絕的動物可以再次漫游這個星球。

滅絕物種復活的倡導者們也表示，人類直接導致許多物種滅絕，因此，我們應該共同努力扭轉這一趨勢。

批評者擔心，像這樣操縱自然可能會帶來更多的傷害而不是積極影響，可能會創造出威脅人類崛起或現在環境的物種。

遺傳中的不可逆遺傳變異

利用CRISPR進行“生殖細胞改造”引發科學界的擔憂。

改造體細胞，如皮膚，大腦，肌肉和心臟細胞不會傳遞給后代。然而，生殖細胞改造修改的是卵子或精子細胞中的基因，因此這樣的改造將遺傳給后代。

生殖細胞改造引發了一個問題：從道德層面上，我們是否可以選擇我們想要遺傳給后代的基因？

盡管圍繞這個問題存在爭議，但顯然，改造生殖細胞的好處是可以阻止或防止疾病表現為個體發育。生殖細胞療法也可以保證患者體內的每個細胞都接受治療。即使一個成年人天生就是易得癌癥的體質，通過CRISPR編輯生殖細胞基因，他也可以痊愈，就像從沒從未患過癌癥一樣。

基因驅動可能會導致進化混亂

一個沒有蚊子的未來也是一個沒有瘧疾的未來，也就不會有寨卡病毒，基孔肯雅病毒，登革熱這些名詞地不斷涌現。沒有這些昆蟲傳播疾病，世界各地的生命將不會受到這些疾病的威脅。

CRISPR可以幫助我們到達這個目的。然而從進化的角度來講，一個好主意可能會導致災難性的后果。一般來說，每個基因有50%的機會被遺傳給后代。但基因驅動卻可以用來確保某種基因有更大的遺傳幾率。如果科學家通過遺傳編輯技術改變基因驅動，他們則可以為進化創造一個加速通道。

但在短期看來，這樣一個好辦法會破壞野生生態系統的自然平衡，改變自然進化的過程。通過生態系統造成的多米諾骨牌效應是無法預測的。

結束語

基因編輯的未來在100、50甚至10年后可能發生翻天覆地的變化。

未來，在植物，動物甚至人類中修改或設計基因可能會合法，這也將給基因庫和進化過程造成不可逆轉的影響。

雖然上面提出的一些想法在目前看來似乎很牽強，但這的確很有可能發生。畢竟，CRISPR不是一種昂貴和難以獲得的技術。CRISPR技術現在可以使用，很多人也正在使用這項技術。從農民到研究人員，CRISPR將對我們的社會產生不可估量影響。