基因編輯還有很長的路要走

基因編輯編年史可以追溯到30年前，第一次基因編輯是在酵母細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中完成，但是直到近5年，隨著CRISPR技術(shù)出現(xiàn)并且迅速成為目前最受歡迎的基因編輯手段，誕生于20世紀(jì)70年代末的重組DNA技術(shù)才真正被視為在人類新藥研發(fā)中取得了革命性進(jìn)步。

專家預(yù)測這種基因編輯技術(shù)將會(huì)改造我們的星球，甚至改變我們生活的社會(huì)和周邊的生物。基因編輯技術(shù)可能代表了藥物研發(fā)的新紀(jì)元。大量創(chuàng)新公司正在引領(lǐng)基因編輯治療產(chǎn)品的開發(fā)工作，并吸引了來自風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)和制藥公司的大量投資。然而，我們也應(yīng)該謹(jǐn)慎地看到，基因編輯產(chǎn)品成為常規(guī)療法之前，還需要解決一系列重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

發(fā)展面臨障礙

基因編輯技術(shù)使用一種切割細(xì)胞中特定DNA序列的酶——核酸酶，針對(duì)具體的疾病將相關(guān)基因進(jìn)行刪除、修復(fù)或替代。這些技術(shù)包括大范圍核酸酶、鋅指核糖核酸酶、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶和常間回文重復(fù)序列叢集。

2015年前橫空出世的CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)被《科學(xué)》雜志評(píng)選為2015年度的突破技術(shù)。由于簡單性和低成本，成為了最受歡迎的基因編輯技術(shù)，廣受學(xué)術(shù)科學(xué)家、投資者、企業(yè)家、生物制藥業(yè)內(nèi)人士以及公眾的擁躉。

雖然基因編輯最初的重點(diǎn)主要針對(duì)罕見的遺傳性疾病，但它其實(shí)具有更加廣泛的應(yīng)用。

基因編輯技術(shù)可以適用于農(nóng)業(yè)，以改善動(dòng)植物育種，為農(nóng)民和消費(fèi)者帶來好處。在環(huán)境保護(hù)方面，基因編輯有可能挽救受氣候變化威脅的瀕危生物，或者創(chuàng)造新的生物燃料作為化石燃料的替代品。

簡單地說，可以將基因編輯比作在計(jì)算機(jī)上的查找、替換或刪除功能的文本操作。許多基因編輯技術(shù)的擁護(hù)者認(rèn)為技術(shù)的適用性沒有任何限制，因?yàn)樗x予遺傳研究人員和藥物開發(fā)人員強(qiáng)大的編輯能力，不僅能撕下整頁（指大段的錯(cuò)誤基因信息），而且可以精準(zhǔn)地調(diào)整某個(gè)特定單詞（指某個(gè)基因，甚至是某個(gè)堿基），從而實(shí)現(xiàn)改變或改善特定癥狀的目標(biāo)。

的確，目前的治療性基因編輯研究的指數(shù)級(jí)增長得益于近30年來基因治療的基礎(chǔ)研究突破。CRISPR出現(xiàn)并成為有潛力的臨床開發(fā)候選藥物只有幾年，2016年6月美國就批準(zhǔn)了第一個(gè)臨床試驗(yàn)。

但是我們也必須看到，第一款基因療法上市花了30多年。預(yù)測治療性基因編輯產(chǎn)品什么時(shí)候能獲批上市并不容易。科學(xué)家表示基因編輯領(lǐng)域目前仍然有重大障礙要克服，如果參照傳統(tǒng)基因療法的臨床開發(fā)進(jìn)度，我們?cè)趯?duì)新技術(shù)的激動(dòng)之外還需要更多的耐心等待。

須確保精準(zhǔn)編輯

哈佛大學(xué)遺傳學(xué)教授George Church是基因組學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)之一，也是CRISPR技術(shù)的發(fā)明人之一，他說：“大約2 400種基因治療已被批準(zhǔn)進(jìn)入臨床試驗(yàn)，幾乎所有這些試驗(yàn)都涉及增加基因，少數(shù)涉及抑制基因功能。當(dāng)人們聽他說到基因治療領(lǐng)域正在開展如此多的臨床試驗(yàn)時(shí)，大多數(shù)人都會(huì)感到驚訝。”

他認(rèn)為，在開發(fā)基因編輯的現(xiàn)階段，釋放技術(shù)的巨大潛力主要取決于克服體內(nèi)和體外向細(xì)胞提供有效荷載的障礙，然后確保精準(zhǔn)編輯。教授說：“體外基因編輯明顯是讓基因進(jìn)入細(xì)胞最簡單的手段，也有很多有趣的靶標(biāo)。CRISPR技術(shù)目前的問題在于體內(nèi)療效，以及脫靶活性。”另外，他認(rèn)為將體外基因編輯轉(zhuǎn)化為廣泛可銷售的產(chǎn)品，一個(gè)關(guān)鍵的未解答的問題是：“我們究竟是依照每名患者的不同來開發(fā)gRNA（真核生物中參與RNA編輯的具有與mRNA互補(bǔ)序列的RNA），還是開發(fā)出一種能應(yīng)用在所有條件下的gRNA。”

Church作為麻省理工學(xué)院的遺傳學(xué)教授，與企業(yè)家關(guān)注的具體技術(shù)應(yīng)用相比，他更多地向我們提供了基因編輯技術(shù)的全景。他說：“今天對(duì)基因編輯的描述是誤導(dǎo)性的，因?yàn)楝F(xiàn)有的候選藥物都不代表他認(rèn)為所謂的‘精準(zhǔn)的基因編輯。”

他解釋說：“增加基因時(shí)，基因能插入到染色體的任何一個(gè)位置。要移除或是下調(diào)一個(gè)基因表達(dá)，你要么引入一個(gè)干擾分子，要么直接攻擊這個(gè)基因，把它弄成一團(tuán)糟。在一定程度上，這也是隨機(jī)的。”

Church教授認(rèn)為的“精確的基因編輯”意味著改變DNA的核苷酸成分——腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶。“例如拿走一個(gè)胸腺嘧啶，補(bǔ)上一個(gè)腺嘌呤這樣的操作，或者是指正好移除4個(gè)堿基，不多不少。”

Church教授說：“混亂或優(yōu)雅地改變基因組成是不一樣的。拿鐮狀細(xì)胞貧血來說，致病原因是腺嘌呤變成了胸腺嘧啶。你只需要改正這一個(gè)堿基就可以了，但事實(shí)上，我們正在不斷繞圈圈。我們會(huì)說，也許有一個(gè)基因，我們突變掉它以后，能達(dá)到同樣的效果。囊性纖維化也同樣如此，主要病因只是少了3個(gè)堿基。”

Church教授認(rèn)為目前針對(duì)遺傳性疾病的產(chǎn)品開發(fā)工作正在摘“低處果實(shí)”，因?yàn)椤霸跇漤數(shù)目赡苁撬崞咸选保a(bǔ)充說：“如果我們真的能像基因敲除那樣方便地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的基因組編輯，我們肯定會(huì)選擇后者，抑制基因功能。”

未來還有很長的路要走

如果將基因編輯這種有巨大前景的科學(xué)轉(zhuǎn)化為治療性產(chǎn)品，未來將會(huì)如何呢？

在技術(shù)方面，將基因編輯產(chǎn)品在體內(nèi)遞送到細(xì)胞仍然是有問題的。Church教授說：“目前，我們使用AAV，它對(duì)某些器官具有強(qiáng)烈靶向性，如肝臟。急需解決其他器官的給藥機(jī)制，使基因編輯能夠應(yīng)用于其他疾病領(lǐng)域。”例如，需要新載體遞送到中樞神經(jīng)系統(tǒng)中以治療神經(jīng)變性疾病，如阿爾茨海默病，如果可以將鋅指蛋白遞送到肝臟以外的組織，基因組編輯的治療潛力則會(huì)大大增加。

一旦產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)得到解決，監(jiān)管的成功突破，商業(yè)規(guī)模的制造就會(huì)成為另一個(gè)關(guān)注的問題，Church教授相信隨著基因編輯行業(yè)走向成熟，制造工藝無疑也會(huì)迎來里程碑。他認(rèn)為，目前“供應(yīng)商數(shù)量相對(duì)較少，GMP制造經(jīng)驗(yàn)較少，大規(guī)模制造經(jīng)驗(yàn)有限，臨床試驗(yàn)成功案例不足，都是這個(gè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)”。然而，許多基因編輯公司已經(jīng)花費(fèi)了大量的時(shí)間、金錢和努力來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

盡管基因編輯在藥物的開發(fā)方面得到了廣泛關(guān)注，但是Church教授再次把眼光擴(kuò)大到其他已經(jīng)在使用基因編輯的農(nóng)業(yè)和野生動(dòng)物領(lǐng)域。基因驅(qū)動(dòng)（gene drive）就是這樣一個(gè)例子，它可以強(qiáng)制性地實(shí)現(xiàn)特定遺傳特征的遺傳。

Church教授在哈佛的課題組是首批公開提到基因編輯這些影響的團(tuán)隊(duì)之一，他們也討論了潛在的解決方案，包括生物控制、反向驅(qū)動(dòng)以及“雛菊驅(qū)動(dòng)”（daisy drives，一種能自我限制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。

Church教授解釋說：“人們不想讓生物失控跑到野外，自己又無法將它帶回。我們能預(yù)見到一個(gè)潛在問題是，基于CRISPR基因編輯的驅(qū)動(dòng)方式是不可逆的。因此我們?cè)诳赡嫘院涂刂菩陨献隽瞬簧俟ぷ鳌！?/p>

Church教授作為一名院士，他正在開發(fā)一個(gè)更先進(jìn)的“新的基因組技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)”，包括閱讀和編寫遺傳密碼。他說：“我認(rèn)為真正的突破在于我們?cè)凇x取和‘編寫DNA上取得的進(jìn)步。這能帶來巨大的影響，它包括添加基因，刪除基因（或降低基因表達(dá)）以及精準(zhǔn)編輯。最終，我們能在任何想要的地方，寫入任何你想要的基因。”

目前科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步表明基因編輯不僅是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)，它的準(zhǔn)確性和安全性也日益得到證實(shí)，不過現(xiàn)在還存在諸多現(xiàn)實(shí)問題亟待解決，因此基因編輯還有很長的路要走。