基因编辑之枪向疾病开火

——人体基因编辑时代或将到来

李升伟/编译

● 科学家们的研究工作正在变得可能：编辑人类的基因来治疗和预防如同艾滋病和镰状细胞病之类的疾病。这引来科学界巨大的争议。更加有争议的是，它还有可能制造出“生物技术婴儿”。

瞄准错误DNA

基因编辑技术正在向我们走来。科学家们试图编辑人体胚胎的第一项研究工作于2015年4月中旬登上有关科学类杂志的头版，而另一项研究则向人们展示了基因编辑是如何可能预防儿童遗传性疾病的。人们还大胆地想象，应用这项技术来安全地剪断和替代伸展开的DNA片断，从而运用遗传修饰工程来制造生物技术婴儿。这可能还需要几十年的时间，而且有待人们认为它在伦理上是可以接受的。但是，这种方法已经到了目前这样的境地：正在接受各种检测用以治疗成年人疾病，人们还期望它很快就能用来治疗相关的身体失调疾病。

走到今天，人们经过了漫长的努力。初始的基因编辑方法大约开始于30年前，但这项技术走到今天，人们才认为它可以用来治疗疾病：基因组修补和遗传医学的一个新的时代正在到来，而基因编辑方法则拉开了它的帷幕。

艾滋病的治疗

在接下来的几个月中，有四家美国医院将招募艾滋病病人，接受一项基于基因编辑的治疗方法的临床试验。艾滋病对滥用的人类性行为进行报复，是通过破坏被称为T细胞的人类免疫细胞实施的。去年，科学家们使用称为锌指核酸酶的定制蛋白质，靶向破坏了12名艾滋病人T细胞内的CCR5基因，提高了他们针对艾滋病毒的抗病性。这项新的临床试验通过敲除干细胞内的CCR5基因并产生了相应的T细胞，使之可能成为一种可复制推广的治疗方法。

这项试验照亮了一条临床道路：使用这种方法是否可以治疗其他疾病。例如，一项即将开始的临床试验将集中于镰状细胞病中展开——红细胞内的载氧血红蛋白分子是异常的。利用这项技术，可望打开一种蛋白质开关，以此替代血红蛋白。

当然，这项技术也可能有其弊端，哈佛大学的刘大卫（David Liu）说：“基因组编辑提供给人们的不仅是巨大的前景，还有显著而潜在的风险。”他认为，几乎所有编辑技术都有潜能来修饰非目标DNA序列，“这些脱靶基因组修饰事件中的一些将很有可能导致消极的生物学结果。”

但是，如果它可以做到安全可靠，相比其他的基因编辑技术，编辑成年干细胞很有可能面对较少的伦理学障碍。

遗传学的改变

一些研究小组已经并正在探索这样的可能性：使用基因编辑来产生可遗传的改变。4月下旬，研究人员们证实了基因编辑可以清理线粒体内的突变，它们发生在一只雌性小鼠传递给其子代体内。而在人体细胞内负责产生能量的线粒体有自己的DNA结构体，这种DNA结构明显有别于细胞核DNA结构。而线粒体内的突变可能会导致一些尚无治疗方法的疾病。

今年早些日子，英国给线粒体替代疗法的研究开了绿灯。这项工作主要是构建供体，即来自父母以外第三人的健康线粒体的“三亲宝贝”，以预防这种疾病在家系中传递下去。这种新方法提供的是一种替换手段。它使用的是一种基于称为TALENs（转录激活因子样效应物核酸酶）的定制蛋白质的基因编辑技术。这些蛋白质可以设计打开有缺陷线粒体内DNA的保护锁，靶向破坏它们，健康的线粒体则不受伤害。

鉴于大多数妇女有携带缺陷线粒体并传递给后代的风险（这些线粒体有些健康有些突变），TALENs技术可以设计来降低她们卵子内的突变线粒体数目。由于有害的效应只在突变线粒体数目超过一种阈值时才能发生，所以这种方法足以预防她们传递疾病给后代。英国纽卡斯尔大学的罗伯特·莱特沃勒斯（Robert Lightowlers）认为，使用这样的基因编辑技术并不是没有风险。人们不清楚的是，减少线粒体数目是否会有一种长期效应。尽管这些研究中的TALENs蛋白质似乎只靶向目标线粒体，只要有非常低数量的线粒体DNA片断进入细胞核并改变那里的DNA，它就可能是有害的。

美国加州拉荷亚市的索尔克生物所的胡安·C·L·贝尔蒙特（Juan C.I. Belmonte）是TALENs研究的小组成员之一，他们计划开始检测该技术的安全性，“我们的思路是得到卵母细胞，然后在体外受精治疗丢弃的胚胎，便于用人类样品检测这项技术。”

将这项研究进行到下一层次将是充满争议的。3月，一组科学家呼吁中止在可以形成胚胎的细胞内进行基因编辑研究。呼吁则是那些研究成年人细胞基因编辑的研究人员提出的，他们关注的是胚胎编辑可能对未来世代有不可预测的效应，会引起公众的反对。

存在众多争议

在对这些既往技术缺陷的改进的呼唤声中，一个中国研究小组4月下旬宣布他们已经编辑了人体胚胎核内的DNA。这项工作涉及到一项近几年内建立的称为CRISPR-Cas9的技术。该技术有巨大地加速研究工作进展的潜能，因为CRISPR比起传统的基因编辑方法速度快了很多。

尽管被广泛宣传和为人们所追捧，但在CRISPR有可能通过对未来世代DNA编辑来改写遗传疾病的治疗方面，人们还有很长的路要走。中国小组的研究提出了一系列的潜在问题：在进行注射的86个卵子中，只有四个得到了成功修饰。而且，所得到的胚胎是一个由被修饰细胞和未被修饰细胞组成的镶嵌体。这可能已经导致了使用的胚胎不可成活，因为它是两个精子对同一个卵子进行受精而构建的。研究小组称之所以使用它们，是因为伦理学关注排除了在正常胚胎内进行基因编辑的研究。但这项研究受到的批评没有中止过。

围绕基因编辑技术及其潜能，目前人们的兴奋和忙乱还只是更加具有争议努力的第一阶段，这种努力要在试图进行移植的人体胚胎内完成基因组改变。波士顿大学的乔治·安纳斯（George Annas）说：“操作不可存活的人体胚胎，从好奇走向潜在的危险境地，既影响到所产生的儿童和他们的后代，也影响到整个社会。”相对而言，针对生物技术婴儿的关注的问题要小一些，因为它只可能敲除突变本线粒体，而不会改变它们。

旧金山加州大学的悦菅直人称这项研究是一种欺骗的宣传。他正在使用CRISPR来进行治疗艾滋病的研究，他说：它靶向的疾病——β地中海贫血症，可以用体外受精（IVF）期间的胚胎植入（前胚胎筛选）来进行检测，“我看不出对胚胎基因编辑的任何需要。”

尽管有诸多的争论，至少美国和中国小组已经报道正在进行人体胚胎的研究。但是，当它在可能的将来治疗疾病的时候，将回答人们最直接期望的成熟（应用于成年人）应用方法。有一件事是确定的，基因编辑的精灵确确实实地飞出了装着它的千百年宝瓶。

[资料来源：New Scientist][责任编辑：则鸣]

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如何编辑基因

1.靶向一条特定的序列

对于TALENs或锌指基因编辑系统来说，它需要设计蛋白质来与你想要编辑的DNA结合。而对于CRISPR来说，它只需要与靶DNA互补的RNA，时间是以天计算，而定制蛋白质则以年计算。

2.敲除靶DNA

这是容易的部分：应用酶切割掉选中的DNA。

3.劫持DNA修复系统

细胞修复或敲除DNA链时，使用最近的匹配DNA作为一段模板。如果你有了定制的模板DNA，就可以运用这门技艺来做出你想要的改变。

目前的研究状态

1.在成人体内通过修饰基因来治疗疾病

人体临床试验在进行中。

利：可以用来治疗所有类型的疾病和身心失调症。

弊：如果错误的DNA部分被修饰，细胞可能癌变。

2.通过破坏突变线粒体来预防疾病

人体细胞临床试验着手准备中。

利：可以预防线粒体疾病而不使用供体（者）。

弊：效应是可遗传的，伦理上充满了争议。

3.通过修饰胚胎内的基因来预防疾病

在人体胚胎内进行检测，进行中。

利：可以预防许多遗传疾病。

弊：充满了未知的伦理学和技术问题，要达到治疗应用还有漫长的路要走。

注：本文发表于《世界科学》2015年第9期。