《破天機：基因編輯的驚人力量》評介

周洋 蘆躍

生物體的生、長、衰、病、老、死等一切生命現象都與基因有關。它也是決定生命健康的內在因素。生物世界的基本規律之一是演化，演化的核心機制是自然選擇，自然選擇的基本單位就是基因。基因支持著生命的基本構造和性能。儲存著生命的種族、血型、孕育、生長、凋亡等過程的全部信息。組成基因組的分子叫作脫氧核糖核酸，即DNA。一整套人類DNA序列被稱作“人類基因組”，這個術語是由德國植物學家漢斯·溫克勒在1920年提出來的。人類的基因組有23個不同的片段組成，這些片段叫作染色體。細胞里的染色體通常包括兩個拷貝，一個來自父親，一個來自母親。

湖南科技出版社2020年11月出版的《破天機：基因編輯的驚人力量》引領閱讀基因編輯技術的過去、現在和未來。2020年諾貝爾化學獎得主杜德娜（Jennifer A. Doudna）和生物化學家塞繆爾·斯滕伯格（Samuel H. Sternberg）將個人敘事、科學數據與深刻的歷史視角結合起來，真實而清晰地還原了基因編輯的故事。這本書幫助你理解生命的未來，并思索生命的深意。

在分子層面上全面認識人體構造

遺傳信息儲存在DNA里，長長的DNA序列有四種堿基A、G、C、T排列組成，堿基A與堿基T配對，而G永遠與C配對。不同的序列段記載不同的信息。有些段落含有制造蛋白質的信息，這些段落就是我們常說的基因。基因有兩個鮮明的特點：一是能忠實地復制自己，以保持生物的基本特征;二是基因能夠“突變”，突變絕大多數會導致疾病產生，另外的一小部分是非致病突變。某些嚴重的疾病就是某段基因甚至整個染色體出現復制錯誤或者完全丟失而引發的突變。20世紀90年代“人類基因組計劃”正式啟動，開啟了人類在分子水平上認識自身遺傳密碼的新航程。

在20世紀90年代，兩位紐約的病人被診斷患有“重癥復合免疫缺陷”（SCID），他們也被稱為“泡泡男孩”，因為他們必須生活在無菌的塑料保護膜中，以避免接觸致病菌。如果得不到徹底隔離或者積極治療，重癥復合免疫缺陷患者往往在2歲前死去。但是，紐約的這兩位重癥復合免疫缺陷患者卻是幸運兒：他們健康地挺過了青少年階段，長到了成年。科學家找到了原因，他們的細胞都自動糾正了致病的突變基因，而且修復過程沒有擾亂染色體上的其他基因。研究人員對此開展了一系列研究測試，得出的結論是：患者身體內的染色體發生突然粉碎，然后重新修復，引起基因劇烈重排。幸運的是，有一個造血干細胞，它可以通過無數次復制和再生，分化出各種血細胞。最終把患者免疫系統里的白細胞都替換成了健康細胞。就像一個軟件里含有一個錯誤代碼——通過自發染色體粉碎和重排，刪除掉了錯誤的代碼，而不損壞軟件的關鍵功能。這個過程正是體現了基因編輯的事實。但是，遺傳病自愈的概率微乎其微。這個案例為未來的醫學干預指明了一條可能的道路：我們可以主動地、合理地更正基因中的突變基因，從而治療遺傳病。

在分子層面上全面認識遺傳疾病

有了DNA測序技術，科學家才能閱讀并記錄人類的基因組，繼而查明許多疾病的病灶基因。自從20世紀70年代第一代測序方法出現以來，科學家闡明了許多遺傳病的分子機制。還有許多類型的遺傳病，其病因并不是基因缺失。對于這類疾病，單純地引入新基因并不會奏效。但對于難治型的遺傳病，醫生們需要做的就是修復缺陷基因，而不僅僅是替換掉他們。如果他們可以修復導致疾病的缺陷基因，就可以治療顯性與隱性基因疾病。

20世紀80年代初，猶他大學的一位教授馬里奧·卡佩奇，他發現一個基因拷貝進入到基因組的時候，他們嵌入的模式并不是隨機的，這些基因總是聚集在一個或幾個位置，彼此重疊，還要進行無比復雜的混合、配對、重組，但細胞卻執行得有條不紊。事實上，這個過程在所有的生物種類中都會發生。在卡佩奇的研究發表3年之后，科學家做到“誘使”細胞“認為”重組DNA只是一段與它自身基因組配對的額外染色體，從而確保新DNA與本來的基因組融合在一起。這種基因操作的方法就是基因編輯。2003年，馬修·波特斯和大衛·巴爾的摩首次在人類細胞中利用定制的鋅指核酸酶進行了基因編輯。從此，基因編輯技術來治療遺傳疾病變得觸手可及。

在分子層面上開啟基因編輯

在諸多基因編輯的工具中，最新，也可能是最有效的，當屬CRISPR-Cas9（簡稱為CRISPR）。病毒是天然的殺手，億萬年來，細菌在與病毒經久不息的鏖戰中，演化出了一套適應性免疫系統：CRISPR。它的全稱是“規律間隔成簇短回文重復序列”。CRISPR可能就是細菌和古生菌中免疫系統的一部分，保護細菌不被病毒入侵。

CRISPR好像一把剪刀，它可以用20個字母精確鎖定一段DNA序列，進而切開雙螺旋。CRISPR最簡單的，也是最廣泛的應用，是切開基因，進而誘發細胞修復損傷。現在，有了CRISPR完整的工具箱，科學家幾乎可以對基因組的組成和基因表達進行控制。無論是通過一刀剪切、多刀剪切或一刀都不切，科學家都有了無數的選擇。而且，科學家仍然在繼續優化這些工具。CRISPR得以快速發展，真正的原因是它功能強大、價格低廉、使用方便。20世紀80年代，如果編輯單個基因的效率能達到1%，到了21世紀初，其效率提升到了接近10%。有了CRISPR，基因編輯技術變得格外強大。隨著CRISPR工具箱得到拓展，我們可以對基因組里的任何基因施加影響，從而找到新辦法來治療癌癥和遺傳病。目前科學家使用CRISPR編輯并修復了干細胞，使之可以分化成身體的其他細胞或者組織類型。科學家也使用CRISPR編輯了人類癌細胞中的上千個基因，這有助于發現新的藥物靶點和新的治療方案。

在分子層面上應用基因編輯

想象一下，在貨架上放幾個月都不會變壞的食物，能更好地應對氣候變化的植物，不再傳播瘧疾的蚊子。這些生物聽起來像是天方夜譚，但事實上，有了基因編輯，他們正在逐漸變成現實。基因編輯還有別的應用，有些聽起來像是科幻小說。許多研究組使用CRISPR來改造豬的基因，使它們更好地長出人類的器官，從而解決移植器官短缺的問題。有些公司開始使用基因編輯技術來提供定制寵物，基因編輯過的迷你豬，只有小狗那么大。與傳統的育種方法相比，CRISPR技術使得科學家可以精確操作基因組了，這是前所未有的突破。2014年，中國科學院的研究人員使用了多種基因編輯工具——包括CRISPR，改寫了普通小麥里的6個Mlo基因，并且不用擔心有其他副作用。無論是基因敲除、基因改寫、基因插入或者基因刪除，科學家都可以精確地進行操作。

阿道司·赫胥黎（Aldous Huxley）曾在小說《美麗新世界》（Brave New World）中虛構了一個按基因等級排序的未來社會。赫胥黎把這個反烏托邦社會設定在2540年。但是，如果基因不平等以目前的速度發展下去，未來500年，類似CRISPR的技術對社會、對人類還會有哪些方面的影響？

CRISPR有巨大的潛力改變世界，包括消滅最嚴重的遺傳病，就好像疫苗徹底消滅了天花。設想一下，上千位科學家使用CRISPR技術研究癌癥，發現了新療法，甚至徹底攻克了這個頑疾。再設想一下，農民利用CRISPR改造過的農作物和動物解決了全球饑餓的問題，并使它們更好地適應氣候變暖。技術本身是無所謂善惡了，重要的是如何使用它們。這項新技術所蘊含的巨大力量，可能出乎所有人的意料。我們可以用它來造福人類，而不是貽害后人。我們對于自然的好奇心引領我們前進，但是，CRIEPR的故事也提醒我們，科學家和公眾需要一起為科學的前進和科學結果負責。

該書不僅適合關心生命科學的人，也適用于社會科學的學者以及每個普通讀者來閱讀，因為這關乎所有人的未來，人人都將牽涉其中。

作者單位：湖南科技出版社