從高中生物探討基因編輯與疾病防治的關系

摘要：來自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中國健康出生了一對名叫露露和娜娜的基因編輯雙胞胎嬰兒。露露和娜娜在出生時，受父母親的病毒遺傳（他們的母親正常，但父親患有艾滋病），就有風險感染艾滋病毒，但是為了讓他們在出生時就能抵抗艾滋病，科學家對雙胞胎的基因（CCR5）進行了編輯，并且最終以勝利告終。這是基因編輯技術。本文將從高中生物學的角度討論基因編輯在疾病預防和治療中的作用以及基因治療的基本方法。

關鍵詞：高中生物；基因編輯；疾病防治

來自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中國健康出生了一對名叫露露和娜娜的基因編輯雙胞胎嬰兒。露露和娜娜在出生時，受父母親的病毒遺傳（他們的母親正常，但父親患有艾滋病），就有風險感染艾滋病毒，但是為了讓他們在出生時就能抵抗艾滋病，科學家對雙胞胎的基因（CCR5）進行了編輯，并且最終以勝利告終。這是基因編輯技術。本文將從高中生物學的角度討論基因編輯在疾病預防和治療中的作用以及基因治療的基本方法。

1.基因編輯技術

DNA是生物體中最常見的遺傳物質。它可以通過自我復制傳遞穩定的遺傳信息并通過DNA-RNA-蛋白的轉錄和翻譯表達遺傳信息。如果我們想要改變我們的基因，我們必須操作雙鏈DNA。

所謂的基因編輯是準確鑒定靶DNA片段中的靶核苷酸序列，通過核酸內切酶等方法切割，形成DNA雙鏈斷裂，并通過天然修復完成基因敲除，插入和置換。

簡而言之，如上圖所示，在DNA的雙鏈中切割間隙。當存在間隙時，敲除DNA序列，或插入DNA序列，或替換DNA序列。

這種方法的核心步驟是什么？一般來說，有可稱為“三件套”的三個主要環節。

（1）“GPS”：我對中學和高中生物學教科書中提到的基因工程技術中的DNA重組印象深刻（如果我們沒法更好地回憶并清楚地記得那就沒關系）。那時，重組方法不需要準確地識別目標序列，也就是說，隨機切割要篩選需要大量的重組。為快速準確地找到要編輯的位點，基因編輯工具由專門識別目標DNA序列的“GPS”引導，這也就是基因編輯技術的價值，它可以“指哪里到哪里”。

（2）剪刀：識別目標DNA序列的“GPS”導航定位后，需要一種把各種DNA核酸酶當作剪刀來切割雙鏈DNA并形成切口。

（3）“針和線”：不管是敲擊、插入還是更換，在切開切口后都需要通過細胞中天然存在的DNA雙鏈斷裂修復機制“縫合”切口。細胞連接意外的DNA雙鏈斷裂，在自然狀態下需要修復機制，這個過程不難想象。

2. 基因編輯技術中隱藏的高中生物知識

（1）免疫板塊

首先看一下免疫板塊，調查的重點一直是艾滋病。艾滋病是一種HIV攻擊T細胞地免疫缺陷疾病。T細胞在骨髓中發育并在胸腺中成熟。它們在特異性免疫中的功能是分泌淋巴因子，識別并呈遞抗原，通過遞增分化成效應T細胞，從而分解入侵的靶細胞。HIV病毒是RNA病毒和逆轉錄病毒。感染后HIV病毒和T細胞的數量如何變化？看下面的圖片，就能判斷出艾滋病病毒感染后這個人的潛伏期有多長，他能活多少年。

根據上圖，我們發現艾滋病毒首先出現了一個小高峰，然后遭免疫系統淘汰滅失；后來艾滋病毒再次爆發，這次維持在高位，相反，T細胞先增加后減少。2年為潛伏期，9年為存活時間。

（2）遺傳板塊

基因編輯技術是編輯CCR5基因，編輯后的基因相當于原始等位基因。限制性內切核酸酶和DNA連接酶在在基因編輯中離不開。為什么淘汰CCR5基因會帶來巨大風險？基因和性狀之間關系是什么？基因可能能夠確定許多性狀的特征。譬如，與胚胎發育相關的CXCR4基因相比，CCR5的受體不僅可以作為HIV受體，CCR5的功能和作用還存在許多許多人們還不知道的未知的可能性。[1]

（3）細胞功能板

細胞膜的信息交換功能體現在HIV通過化學本質是蛋白質的CCR5或CXCR4受體這兩種受體侵入具有分解入侵靶細胞特點的T細胞。

3. 從高中生物角度分析基因編輯對疾病防治的作用

在不久的將來，最新的基因編輯技術CRISPR將從根本上改變我們的世界，因為科學家可以在疾病的治療和食物供應等很多方面通過CRISPR精確手術切除多余的DNA片段。然而，人類生殖系統的編輯等許多潛在的風險因素也蘊含其中，我們必須從倫理和人類未來的角度來考慮和取舍。對于一些科學家來說，基因編輯技術創造的可能性似乎無窮無盡。讓我們來看看這項技術如何預防和治療疾病。

（1）癌癥有望得到治愈

CRISPR在人體中的應用仍然存在太多的爭議，但在癌細胞開始肆虐你的身體之前，這種基因編輯工具能夠減少觸發癌細胞的基因或改善癌癥免疫治療。2016年，由互聯網億萬富翁肖恩帕克資助和賓夕法尼亞大學的科學家領導的CRISPR研究獲美國國立衛生研究院批準。這些研究針對三種不同類型的人類癌癥。然而由于該研究還未獲FDA的批準，結果我們將長期無從知曉。

（2）消滅攜帶寨卡病毒的埃及伊蚊

根除攜帶寨卡病毒的埃及伊蚊，雖然已發現幾種科學的方法，但我們現在有技術可以確保攜帶寨卡病毒的蚊子物種可以被最新的基因編輯技術CRISPR獨立地殺死。這項技術沒問題，但這個想法存在爭議。反對意見是蚊子在環境中扮演的角色我們并不完全了解，簡單地根除它們，可能導致生態災難并產生不可預測的可怕后果。當然利用基因編輯技術CRISPR消除當地蚊子應該問題不大，畢竟埃及伊蚊不是北美原產的。反對使用基因編輯技術CRISPR殺死蚊子物種的還有一種聲音，那就是可能不經意間產生對這種技術免疫的超級蚊子或者連帶著其他昆蟲也發現蚊子DNA缺陷的類似問題，屆時嚴重的生態災難不可避免。

（3）開發更多更好的藥物

基因編輯技術CRISPR利用CRISPR精確手術切除多余的DNA片段的技術以提高修復體內細胞的能力可以為我們提供更多更好的藥物。拜耳曾經與一家初創發現Cas9技術的公司RISPR Therapeutics簽署了一項其目標是利用基因編輯技術CRISPR開發新的藥物的協議。其他制藥公司紛紛模仿。這就為為稀有疾病，遺傳病和制藥業革命的藥物開發打開了大門奠定了基礎。

（4）失明得到治愈

加利福尼亞州索爾克研究、哥倫比亞大學和愛荷華大學于2016年初聯合進行的一項研究以及2017年秋天科學家發布了的研究結果，表明他們能夠使用CRISPR幫助恢復一些視力，甚至治愈先天性遺傳性失明。這種遺傳編輯工具在小鼠中用于替代導致健康基因失明的錯誤基因。雖然這是一個特殊情況，但它表明那些攜帶導致失明的基因或天生失明的人將來可能重見天日、看到光明。

（5）艾滋病得到根除

為抑制HIV復制并發展為晚期艾滋病，現在抗逆轉錄病毒藥物和有毒化合物被大量患有艾滋病（HIV）這種致命病毒的患者所使用。然而基因編輯技術CRISPR可以像一把剪刀一樣準確地剪切體內包括HIV-1 DNA在內的所有遺傳密碼。這是最近一項涉及小鼠的研究所呈現的研究成果。如果切斷DNA，可以阻止病毒復制。這是艾滋病得到根除的重要原因。下一步是研究靈長類動物和人類。[2]

4.基因治療的主要方式

幾種針對由基因突變引起的疾病可能的基因治療方法不難想到。

（1）體外編輯：近年來流行的CAR-T技術（體外T細胞的病毒轉染使其能夠識別腫瘤表面的特定蛋白質）以及干細胞的體外編輯，就是體外編輯的典型代表。這種方法聽上去比較簡單，就是在體外“修復”由于突變而失去功能甚至變成癌癥的體內細胞，修復受損的功能后再將它們輸注回體內。這種方法的優點是編輯發生在體外，一切都是相對可控的，因為編輯可以篩選，有選擇地余地，可以在體內使用糾正好的，糾正不好的可以直接丟掉，不容易出錯；缺點是在復雜的缺乏深入研究的情況下，CAR-T的效果僅對血腫有好處，因為血腫的微環境相對簡單，干細胞治療是唯一的方法。因此進展并不是很大，因為干細胞相關疾病復雜的微環境使得干細胞向體內的轉化不能起到預期的影響。

（2）體內游離DNA表達：對于由于某些如血友病的疾病，直接的想法是將相關蛋白質不是放進入基因組，而是種到體內的基因中。因為這些疾病是基因突變而缺乏特異性蛋白質引起的。這種想法以外來體的形式在細胞質中自由表達它們，現在最典型的是已經可用的幾種被批準的病毒轉染基因療法。相對安全是這種方法的優點。缺點是因為改變基因組往往是不可逆轉的，所以在危險的錯失距離的情況下后果是嚴重的，這就是為什么在20世紀90年代后期有許多個死亡案例。此外，一個是游離病毒DNA或概率也就是沒有定位的隨機插入基因組，另一個是外泌體DNA，不像在分裂中穩定復制的基因組中的DNA那樣，可能隨著細胞分裂而耗盡，因此治療可能不是長期的。

（3）體內基因組編輯：這可以消除致病基因并恢復機體功能，可以說是最有前途的基因治療方法，即直接在體內通過利用基因編輯技術修飾突變體靶DNA。這種方法，最大的問題是安全，優點是可以根除基因突變而缺乏特異性蛋白質引起的疾病，例如不能在體內正常表達凝血八因子的血友病A患者，利用基因編輯技術可以將凝血八因子的基因插入基因組然后就可以正常地表達想表達的。

參考文獻

[1]單奇偉，高彩霞.植物基因組編輯及衍生技術最新研究進展[J].遺傳，2015.

[2]封志純.發育醫學：全過程整合，全鏈條創新[J].醫學電子雜志，2018，6（1）：15-19.

作者簡介：李岑（2001.06-）男，漢族，四川廣安人，高三在讀，對于生物相關專業具有濃厚的學習興趣和探究熱情。

（作者單位：廣安友誼中學實驗學校）