大規(guī)模新基因編輯項(xiàng)目有望粉碎阿爾茨海默病

編譯 楊勔

說到阿爾茨海默病與科學(xué)的博弈，科學(xué)總是處于失利的一方。

阿爾茨海默病的殘酷是秘而不宣的。這一失調(diào)癥總是在上了年紀(jì)的大腦中悄然出現(xiàn)，逐漸吞噬掉患者的思考與推理能力，并削弱記憶力和對現(xiàn)實(shí)的辨識力。隨著世界人口的老齡化，阿爾茨海默病正以驚人之勢迅速抬頭。盡管對阿爾茨海默病的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，我們?nèi)匀粵]有找到治療的方法，就更不用說掌握治愈的手段。

令人沮喪的事實(shí)如此之多，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）也認(rèn)同這一點(diǎn)，于是他們現(xiàn)在廣招研究阿爾茨海默病與干細(xì)胞的賢才，共同參與到生物學(xué)界最雄心勃勃、史上規(guī)模最大的基因組編輯研究項(xiàng)目中來。

該項(xiàng)目的想法非常簡單：幾十年的研究發(fā)現(xiàn)某些特定基因似乎會增加阿爾茨海默病與其他癡呆癥的發(fā)病機(jī)會，而這些基因成百上千。單個的實(shí)驗(yàn)室如果想要徹底搞清楚所有這些基因彼此之間的相互聯(lián)系或互相影響，需要耗費(fèi)多年的時間開展研究。但要是科學(xué)家們從一開始就能團(tuán)結(jié)在一起，利用共享資源，齊心協(xié)力來解開阿爾茨海默病的發(fā)病原因，那又會怎樣呢？

這一先導(dǎo)研究計(jì)劃的秘密武器是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，又稱為iPSC。與絕大多數(shù)干細(xì)胞相似，它們有能力轉(zhuǎn)化為身體的任何部分，仿若細(xì)胞中的精靈。但iPSC 是從普通已分化細(xì)胞（如表皮細(xì)胞）重新誘導(dǎo)形成，當(dāng)再轉(zhuǎn)化為腦細(xì)胞時，它們將攜帶著供體的原有基因，這意味著它們蘊(yùn)含著原主的遺傳信息，以阿爾茨海默病患病概率為例，iPSC 將原封不動地繼承原主發(fā)病可能性。設(shè)想一下，如果我們將阿爾茨海默病相關(guān)基因敲入這些再生干細(xì)胞，并觀察后期細(xì)胞的情況，會是什么樣的情形呢？

通過研究這些iPSC，我們也許能夠捋出引向阿爾茨海默病和其他癡呆癥遺傳成因的線索，為今后研發(fā)可以將這些疾病扼殺在萌芽里的基因療法鋪平道路。

iPSC 神經(jīng)退行性疾病先導(dǎo)計(jì)劃（iNDI）就是以此為目標(biāo)。NIH 表示，該項(xiàng)目旨在“激發(fā)、加速和支持這些疾病的治療與預(yù)防的研究”。所有生成的數(shù)據(jù)集都將在互聯(lián)網(wǎng)上開放共享，供大眾挖掘分析。

如果用通俗的語言來闡釋，那就是我們要將冉冉升起的生物科技巨星（其中首當(dāng)其沖就是CRISPR 技術(shù)）投入到對阿爾茨海默病的共同抗擊之中，從而最終實(shí)現(xiàn)占據(jù)上風(fēng)的目的。這是一場對抗我們最頑抗的敵人之一所需要的“復(fù)仇者們，集合吧”時刻，而這一敵人試圖從內(nèi)部瓦解我們的心靈。

沉默的敵軍

阿爾茨海默病最初發(fā)現(xiàn)于20 世紀(jì)早期。從那時起，科學(xué)家就一直致力于找出會讓大腦被破壞殆盡的原因。

如今最引人矚目的學(xué)說是淀粉樣蛋白假說。試想這樣一個恐怖電影的場景：鬧鬼的房子里充滿幽靈，它們在房間里四處游蕩，數(shù)量還不斷增加。那就是淀粉樣蛋白的恐怖——這種蛋白悄無聲息地逐步在神經(jīng)元的小房子里積聚，最終剝奪神經(jīng)元的正常功能，并讓內(nèi)部萬物全部消亡。后續(xù)的研究還發(fā)現(xiàn)其他有毒蛋白質(zhì)在神經(jīng)元的小房子外徘徊，并漸漸毒害神經(jīng)元內(nèi)棲居的生物分子。

幾十年來，科學(xué)家一直認(rèn)為打敗這些幽靈最好的辦法是“驅(qū)魔”——也就是說去除掉這些有毒蛋白質(zhì)。然而在反反復(fù)復(fù)的試驗(yàn)中，科學(xué)家的努力失敗了。截止到目前，治療阿爾茨海默病的失敗率是100%，這直接導(dǎo)致的是有的人將對治療辦法的嘗試稱為“夢想的墓地”。

很明顯，我們需要新的思路。

CRISPR 參戰(zhàn)

幾年前，兩位高手加入戰(zhàn)局。一是CRISPR，奇才般的基因神槍手，可以精準(zhǔn)狙擊、插入或者調(diào)換單個、一對甚至更多基因。另一個則是iPSC，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，一種通過化學(xué)浴從成熟細(xì)胞重生出來的干細(xì)胞。

二者聯(lián)手，能夠在一個培養(yǎng)皿中模擬升級版癡呆癥。

舉例來說，利用CRISPR，科學(xué)家們能夠很容易地將來自高患病風(fēng)險(xiǎn)個體的阿爾茨海默病相關(guān)基因，或來自健康供體的疾病保護(hù)相關(guān)基因插入到iPSC，然后觀察后續(xù)現(xiàn)象。腦細(xì)胞就像是一個嗡嗡作響的大都市區(qū)，蛋白質(zhì)與其他生物分子在里面呼嘯穿梭。如果往里加入一劑親阿爾茨海默病基因，能會像是用黏稠的添加劑將這車水馬龍阻斷下來，讓科學(xué)家能夠搞清楚這些基因如何在阿爾茨海默病這一更大背景下取得一席之地。要是向電影迷們解釋，那么就像是在細(xì)胞里同時注入來自哥斯拉的基因和來自金剛的基因。你心知兩個基因都能把水?dāng)嚋?，但只有真正看到?xì)胞里確實(shí)發(fā)生了什么，你的想法才會得到肯定。

自iPSC 誕生后，各個實(shí)驗(yàn)室都嘗試過運(yùn)用這一技術(shù)，但這一技術(shù)存在一個問題。因?yàn)閕PSC 會繼承供體的遺傳“基線”， 這讓來自不同實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家很難評估一個基因到底是阿爾茨海默病的發(fā)病原因還是由于供體特有的基因組成而產(chǎn)生的偶然關(guān)聯(lián)。

新的iNDI 計(jì)劃旨在對研究的一切標(biāo)準(zhǔn)化。利用CRISPR，它們能往iPSC 中注入來自各個人種不同的健康捐贈者、超過100 種阿爾茨海默病及關(guān)聯(lián)癡呆癥所相關(guān)的基因，這會是一項(xiàng)浩大的基因組工程項(xiàng)目，其產(chǎn)生的則是完整載有可能引發(fā)阿爾茨海默病的突變基因的克隆細(xì)胞庫。

換言之，與其研究阿爾茨海默病患者提供的細(xì)胞，我們不妨嘗試通過向正常健康的腦細(xì)胞注射可能導(dǎo)致阿爾茨海默病的基因。如果將這些基因視作軟件代碼，那么通過基因編輯向這些細(xì)胞插入潛在引發(fā)阿爾茨海默病的基因是可行的。執(zhí)行這一程序，你就能觀察到神經(jīng)元如何運(yùn)作的。

該項(xiàng)目分為兩個階段。第一個階段主要集中利用CRISPR 技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模工程化細(xì)胞編輯。第二階段則是對編輯后的細(xì)胞進(jìn)行徹底分析：例如，這些細(xì)胞的遺傳特性，基因如何被激活，承載了哪些蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)之間如何相互作用，諸如此類。

美國杰克遜實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞工程部主任、本項(xiàng)目負(fù)責(zé)人比爾?斯卡恩斯（Bill Skarnes）介紹說：“項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是通過在一系列表征良好、遺傳多樣化的iPSC中運(yùn)用細(xì)胞工程技術(shù)引入疾病誘發(fā)的遺傳突變，其目的就是為了確?？鐚?shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)可重復(fù)性，并探索天然多樣性在癡呆癥中產(chǎn)生的影響效果?！?/p>

抗擊阿爾茨海默病之錘

iNDI 這一先導(dǎo)計(jì)劃只有依托我們當(dāng)前快速發(fā)展的生物技術(shù)才能得以實(shí)現(xiàn)。對成百上千個阿爾茨海默病相關(guān)的細(xì)胞實(shí)施細(xì)胞工程，并且還要與全球的科學(xué)家共享，這在20 年前看來就是一場白日夢。

需要說明的是，這一項(xiàng)目不僅僅會生成單個的細(xì)胞。利用CRISPR 技術(shù)，還可以制造出細(xì)胞株，或者一整個帶有阿爾茨海默病基因并且能夠遺傳給下一代的細(xì)胞譜系。這些細(xì)胞具有強(qiáng)大的作用，它們能夠與全世界的實(shí)驗(yàn)室共享，從而進(jìn)一步針對能夠?qū)膊‘a(chǎn)生最大影響的基因開展研究。iNDI 的第二階段的作用更強(qiáng)，因?yàn)樗軌蛏钔谶@些細(xì)胞的內(nèi)部運(yùn)作從而產(chǎn)生“作弊代碼”——一張囊括了它們的基因與蛋白質(zhì)如何行動的清單。

總的來看，這一項(xiàng)目致力于建立一個阿爾茨海默病相關(guān)細(xì)胞的宇宙，其中每一個細(xì)胞都配備了一個可以對癡呆產(chǎn)生影響的基因?！斑@些類型的綜合分析可能會帶來有趣且具有可操作性的發(fā)現(xiàn)，而這些發(fā)現(xiàn)在任何單一方法單獨(dú)研究時都不可能被發(fā)現(xiàn)，”作者如是寫道，“這一項(xiàng)目提供了能真正理解阿爾茨海默病及相關(guān)疾病的機(jī)會和有前景的治療方法的可能性?！?/p>