原標題:治療癌症、滅絕蚊子、復活猛獁象……最近流行的 CRISPR 基因技術到底能做什麼,進展如何?

基因編輯又火了起來,從電影里的超能力到現實中復活猛獁象

螢幕里,壯碩的酒吧老闆拿起電鋸割向自己的腹部,鋸齒沒能切開皮膚,反倒冒起煙來。

這是漫威超級英雄盧克·凱奇在 Netflix 的超級英雄電視劇里第一次展示自己的超能力。

根據同名劇中醫生的解釋,這是因為凱奇被人用 CRISPR 基因編輯技術植入了鮑魚的基因。鮑魚殼因為內部蛋白質和碳化鈣獨特的結構組合,強度甚至比常用於防彈裝甲的高級陶瓷還硬。因此凱奇的皮膚變得刀槍不入。

治療癌症、滅絕蚊子、復活猛獁象……最近流行的 CRISPR 基因技術到底能做什麼,進展如何?

子彈也射不穿的皮膚

超級英雄顯然不能當真。但 CRISPR 基因編輯技術是真實存在的,而且最近很火。這是一種可以用外來基因片段準確替換生物體內自身基因組,從而改變生物本身的技術。

事實上,正式因為 CRIPSR 最近的火熱,它才成了盧克·凱奇故事裡的一部分。

盧克·凱奇是漫威在 1972 年打造的英雄。設定里,他的皮膚擁有刀槍不入的強度。在那個年代,沒有太多人去追究這個設定本身的科學根據。

但這兩年漫威和 Netflix 合作了一系列超級英雄電視劇,劇中的情節就加入了 CRIPSR 基因編輯技術的設定。

不只這一部。

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《X檔案》描述 CRISPR 基因編輯

2016 年,重啟美劇《X 檔案》的第十季中,CRISPR 就化身為外星人的生物武器,可以敲除地球人的腺苷脫氨酶基因,從而破壞全體人類的免疫系統。

NBC 甚至決定拍攝一部標題直接叫做《C.R.I.S.P.R.》的生化題材驚悚片 ,由詹妮弗·洛佩茲出演。

這些都是比較臆想的科幻情節。比如《X 檔案》的科學顧問、馬里蘭大學病毒學家 Anne Simon 自己就認為這些情節不可能發生,CRISPR 是有益的研究工具。

不過 CRISPR 也確實將一些科幻情節變成了現實。

早在 1990 年,著名科幻作家邁克爾·克萊頓(Michael Crichton,也是《西部世界》的作者,哈佛醫學院畢業)就在《侏羅紀公園》一書里寫過復活恐龍的可能。

在故事裡,科學家從琥珀中提取了上古蚊子血液里的恐龍 DNA,然後用現代青蛙的 DNA 片段補上不完整的部分,從而復活出恐龍。

那個故事給了哈佛大學的遺傳學家 George Church 啟發。這位科學家是合成生物學的先鋒,幫助啟動了人類基因組計劃,也是 CRISPR 技術的先驅之一。他想復活猛獁象。

恐龍死了 6500 萬年,DNA 沒法保存這麼久。而猛獁象滅絕僅數千年,並且遺骸在西伯利亞的凍土層中保存良好,冰封的 DNA 仍有重新表達的機會。

但是猛獁象的細胞核已經受損,所以 Church 利用 CRISPR 技術,將猛獁象的 DNA 編輯進亞洲象的染色體中,再通過克隆技術培育出雜交胚胎,希望讓這個物種的某些性狀重見天日。

通過精確選擇和編輯猛獁象的 DNA,Church 團隊兩年來編輯過的基因片段數量已經由 15 增至 45 個。如果胚胎能發育成功,這種雜交種將擁有猛獁象的特徵,如小耳朵、長毛髮、更厚的皮下脂肪和適應低溫的血液。

目前,Church 團隊完成了細胞培養,正在評估這些編輯的影響,朝著在實驗室培育胚胎努力,並有望在兩年內成功培養出胚胎。

但要培育出真正的個體,還有著數年的距離。因為他們並不打算招募母亞洲象來代孕。Church 團隊不想把瀕危物種的雌性個體置於危險的境地,他們計劃建造一個巨大的人工子宮。很多人認為,這一計劃在 10 年間無法實現。

不過不管是 5 年還是 15 年,僅僅這件事從理論上可行,並且科研團隊在一步一步推進中就已經讓人興奮。當克萊頓寫《侏羅紀公園》的時候,那看上去還完全是一個幻想。

依據這件事寫成的書《毛茸茸:復活史上滅絕偶「象」之最路上的真實故事》的電影改編版權賣給了福克斯,而 Church 聽說電影的預算是 8000 萬美元。

除了 Church,加州大學聖克魯茲分校的 Ben Novak 也希望利用博物館里的標本復活 19 世紀末滅絕的旅鴿。他相信如果沒有 CRISPR 技術,復活已滅絕的生物只是美好的幻想。

關於編輯基因還有一些別的插曲,比如號稱可以挑戰 CRISPR 的中國韓春雨團隊發布的 NgAgo 基因編輯技術因為各地實驗室都無法重現實驗,最終作者主動申請撤回了論文。

所以 CRISPR 到底是怎麼回事,科學家和商業公司們又在用它做什麼?

三分鐘知道 CRISPR 是怎麼回事

基因編輯存在已久,其實傳統的雜交育種就是早期對基因的人工改造,比如袁隆平 1977 培育出穗大粒多的「南優 2 號」雜交水稻。

更早的還有寵物狗,很多品種都是通過雜交誕生的。你也可以認為這是一種基因編輯。

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但無論是水稻還是雜交狗,由於沒有藉助現代分子生物學的手段,無法精細地修飾基因,結果非常不可控。

而 1980 年開始興起的轉基因能夠做到這一點。將目的基因與載體分子結合為重組 DNA 分子,利用農桿菌或基因槍注入到受體細胞後大量增殖,再篩選出具有重組 DNA 分子的重組細胞,以此導入外來的基因。這種方法用比較粗糙的方法以外部片段修飾目標基因,比較隨機,也不夠準確。

CRISPR 則可以做到精確編輯任何生物、任何細胞里的 DNA。

CRISPR 是一個縮略詞,指的是細菌細胞中「規律成簇的間隔短迴文重複」(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)。

簡單地說,它是一個 DNA 序列,是一段基因記憶,是細菌在長年對抗病毒入侵時積累的血肉長城,重複的序列就是蜿蜒的城牆。

就像人體的免疫系統,能夠提取入侵細菌或病毒的特徵,並呈遞給免疫細胞讓它形成記憶,從而當病原二次入侵時能及時識別消滅。

細菌在世世代代與病毒的抗爭之中,也進化出了這種簡易而精確的免疫功能。過往的病毒將基因重複遺留在細菌的 DNA 鏈上,形成細菌的「記憶」,在病毒再次入侵時,指引酶等工具來消滅它。

具體來說,病毒感染細菌時,會把自己的遺傳物質嵌入到宿主細胞的 DNA 上,深入內部反客為主,利用宿主細胞為自己服務。細菌則進化出了 CRISPR 這一免疫武器,它是之前的病毒感染痕迹的留存,也是病毒基因特徵的記錄。

等到病毒再次入侵併嵌入基因時,CRISPR 就能憑藉此前的記錄,引導相關的蛋白(CRISPR associated,Cas)把外來的基因切除掉,從而解決掉入侵的病毒。

科學家們利用了 CRISPR 精準切割的這個特性,對它重新編程,使之能切割任何生物的任何 DNA,達到人為編輯基因的目的,以改變生物原有的遺傳特性、獲得新性狀。

在 CRISPR 之前,學術界廣泛應用的是基因打靶、鋅指核酸內切酶(ZFN)和類轉錄激活因子效應物核酸酶(TALEN),它們都是與轉錄因子相關的核酸酶。比起它們,CRISPR 技術成本低廉、操作方便、效率高、可以同時編輯不同的位點,一次頂過去五次。

以應用最廣泛的 CRISPR / Cas9 為例,想象基因是由很多節點構成兩條雙螺旋的鏈條,而編輯只需要用到兩個工具——嚮導 RNA(guide RNA, gRNA)和 Cas9 蛋白。

將 DNA 鏈精確地剪開,以達到增添或敲除的目的,示意動畫來自 MIT

Cas9 蛋白像一把剪刀,通常從基因節點,也被稱為鹼基 NGG (N 代表任意鹼基)的地方剪斷基因。

隨後,人工設計的嚮導 RNA 會將 DNA 雙螺旋解開,配對到其中一條,Cas9 蛋白再出手在刀口處剪斷。隨後 DNA 會開啟自動修復機制,將剪斷的兩端連接起來,從而實現目標區域的敲除或替換。

雖然操作和效率都得到了提升,但 CRISPR 技術可能存在的問題就是,嚮導 RNA 不一定每次都能準確匹配被剪短的基因。在 DNA 損傷修復的時候也可能出現意外。

就像是一列沒有被鐵軌合理引導的出軌火車,隨時會導致基因組產生未知的突變,這被稱為脫靶效應。

隨著科學家們對 CRISPR / Cas 系統的不斷優化,脫靶率正在不斷降低。

CRISPR 背後還有一個專利戰

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2012 年以來,CRISPR 技術掀起了一陣學術界的淘金熱。在 Google 學術上,CRISPR Cas9 相關的文獻已經超過 51700 篇。

大潮之前的圖景則略顯單薄。1987 年,日本微生物學家石野良純最早在大腸桿菌的 DNA 中發現了間隔重複的迴文結構,當時的人們對此一無所知,也沒有引起太大的重視。

1990 年代,科學家們多次在細菌的基因組中發現這種重複的序列,其中包括荷蘭烏得勒支大學的 Ruud Jansen 和西班牙阿利坎特大學的 Francisco Mojica,二人在通信中提出將它命名為 CRISPR,並在 2002 年用於出版物中。2005 年,三個研究組同時發現這種序列和侵染細菌的病毒的基因非常相似,從而推測它可能是抵抗入侵的某種機理。

2007 年,美國奶製品公司 Danisco 的科學家在《科學》上發文,以工業上生產酸奶的嗜熱鏈球菌為實驗對象,研究者發現對病毒有抗性和敏感的兩種鏈球菌在 CRISPR 序列中存在差異,於是他們增加和敲除了這部分序列,發現噬熱鏈球菌對病毒的敏感性發生了改變。

在一些基礎性的研究之後,CRISPR / Cas9 作為基因編輯技術隆重登場,同時也為一場曠日持久的專利之戰埋下伏筆。故事將主要圍繞以下三個人展開:

  • 加州大學伯克利分校的分子生物學家 Jennifer Doudna;

  • 瑞典于默奧大學的微生物和遺傳學家 Emmanuelle Charpentier;

  • 麻省理工學院和哈佛大學博德研究所的合成生物學家張鋒。

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Emmanuelle Charpentier 、Jennifer Doudna 和 張鋒

2012 年 8 月,Doudna、Charpentier 和同事們在《科學》上發表論文,首次將細菌的免疫機制變成了可編程的切割工具,用 CRISPR / Cas9 精確切割了質粒和雙鏈 DNA。她們切割的是細菌的 DNA 片段,並為此提交了專利,表明她們發現的這一切割系統可以作為任何類型細胞的基因編輯工具。

這項研究引起了學術界的廣泛注意。同年 12 月,張鋒將這項技術用於小鼠和人類的真核細胞,證明這項技術在複雜細胞中的可行性。他也為此提交了專利,許可權包括在任何由細胞核的物種中使用 CRISPR。不僅如此,他還要求加速審查,通過繳納費用走了綠色通道。2013 年 2 月,論文在《科學》上發表。

與此同時,大家開始關注這項技術的脫靶效應。初始的嘗試總是不太完美,當時的一系列研究表明,脫靶效應廣泛存在。半年後,張鋒在《細胞》上發表論文,提出了利用兩個嚮導 RNA 增強準確性的方法 Double Nick,大大減少了脫靶現象,也進一步完善了這項技術。

2014年,美國專利商標局將技術專利賦予張鋒,加州大學要求發起抵觸審查程式(Interference proceeding),專利爭奪戰隨之拉開序幕。這次審查於去年 1 月開始,根據 2012 年美國專利法先發明者得專利的排隊規則,雙方各自提交了數百頁文件,證明自己一方在時間上領先。

這項專利歸屬的爭議在於:Doudna 的專利主要用於簡單生物體的 DNA 編輯,而 Broad 研究所申請的是真核細胞中的基因編輯,將前者的常規方法應用於高級細胞,究竟是不是一項創新。

並且,在 Doudna 和 Charpentier 的論文發表後,先後有許多實驗室都依據文中的方法實現了真核生物中的基因編輯,Doudna 的團隊隨後也發表了人類細胞中的編輯成果。

去年 12 月,加州大學和博德研究所在美國商標局參加了唯一一次口頭辯論。2 月,美國商標局作出裁定,張鋒所在的博德研究所保留 2014 年所獲得的專利權,兩個團隊的發現並不存在衝突。為此加州大學 4 月向聯邦法院提起了上訴。

這場紛爭也有一些有趣的插曲。2016 年,《細胞》發表了博德研究所生物學家 Eric S. Lander 的文章《CRISPR 英雄譜》,文中回溯了這項技術的研發歷史,但在關鍵的基因編輯部分強調了張鋒的成果,對 Doudna 和 Charpentier 的貢獻所提不多。二人分別在評論區回應,作者並未將論文交給她們檢查,也未徵得她們的同意,Lander 也因此遭到了很多批評。

這場戰爭並不僅僅是兩個團隊之間的爭奪。在歐洲,包括伯克利分校和 Broad 研究所的 6 家機構在早期向歐洲專利局提交了 CRISPR 的專利申請。根據專利代理人的看法,在歐洲很可能不會出現「贏家通吃」的情況,而是 6 家機構的權利會相互重疊。7 月 27 日,歐洲專利局表示,將授予默克子公司 Millipore Sigma 真核細胞中的 CRISPR 編輯專利。

但中國似乎站在加州大學這邊。今年 6 月,Doudna 創立的 Intellia Therapeutics 和 Charpentier 創立的 CRISPR Therapeutics 公司相繼發布消息稱,其已經獲得中國國家知識產權局授予的 CRISPR 基因編輯技術上的專利。

學術界也更偏向 Doudna 和 Charpentier,張鋒憑藉這項技術獲得的學術獎項,許多都是同她們共享,比如 2016 年的蓋爾德納獎和 2017 年的阿爾伯尼生物醫學獎。而 Doudna 和 Charpentier 除了獲得 2015 年的生命科學突破獎外,還攜手入選《時代》雜誌 2015 年度影響百人,以及今年的日本國際獎等。

科學家們對這項技術的優化也沒有結束。最新的進展是,上周 Doudna 團隊進一步完善了這項技術,研究組在《細胞》上發文,宣布發現了 CRISPR 的「停止鍵」,可以控制編輯過程的結束。此前,這一過程的結束只能順其自然。

CRISPR / Cas9 系統的專利之爭仍將繼續,但它正在徹底改變基礎研究、農業和醫學。

想復活猛獁象的人,還把照片存進了 DNA

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用 CRISPR 技術編輯基因需要幾步?答案是三步:確定目標基因,找到目標片段,接下來就開始剪。示意動畫來自《麻省理工科技評論》

除了通過基因編輯復活猛獁象,George Church 最近的另一項研究是用 CRISPR 技術把一張 GIF 圖存進了大腸桿菌的 DNA 里。

使用 DNA 存儲數據並不是新聞,5 年前就有團隊在 DNA 中存儲文字和圖片。作為新興的存儲介質,它存儲密度巨大,1 克 DNA 可存數億 GB 數據;儲存年限久遠,妥善保存可數萬年,並且測序就能讀取。缺點則是目前合成 DNA 的成本太高,且不能隨時存取。

但在此前的研究中,存儲的介質都是人工合成 DNA 的片段,而不是活細胞中的 DNA。研究團隊這次把一張手掌的照片和一段策馬奔騰的動態圖片編碼成 DNA 片段,藉助 CRISPR 技術剪切到大腸桿菌的基因當中,在數代繁衍後重新讀取 DNA 片段,圖像的還原度達到了 90%。

這張圖來自攝影師 Eadweard Muybridge 的動態攝影,谷歌用這張圖做過 Doodle。原圖好歹是攝影作品,像素並沒有這麼低。圖片來自 Seth Shipman

論文的作者之一、哈佛醫學院合成生物學家 Seth Shipman 想要研究大腦發育的過程,這個過程中會有一系列生化反應在細胞中發生,但很難明確地記錄下來。而這項研究證明了 CRISPR 技術在大腸桿菌上的應用,真正的目標是讓細胞變成記錄儀,可以收集各種分子資訊並存儲在 DNA 當中,以便之後查閱在發育中的作用。這個概念被稱為「分子紙條」,正是 George Church 的點子。

合成生物學的另一個課題是人造生命體。科學家們一直在研究怎樣才能人工合成細胞——按照人為編碼,細胞可以按需合成出各種各樣的藥物。美國遺傳學家 Craig Venter 在 2010 年將合成的基因組引入去掉基因的宿主細胞,結果是宿主可以連續複製。

來自 Scripps 研究所的團隊則分別在 2014 年和今年創造了半合成的生物體,今年他們利用 CRISPR-Cas9 技術強化了三年前的版本,去掉了排斥非天然鹼基的基因,這將允許他們在合成 DNA 中任意添加想要的基因片段,這為蛋白質的按需定製奠定了基礎。

當然,如果你想做一名生物駭客(Biohacker),也可以自己在家體驗一下簡單的 CRISPR 實驗。曾在 NASA 工作過的合成生物學家 Josiah Zayner 想要培養更多的生物駭客,因此創立了 ODIN 售賣一些簡單的生物 DIY 工具包,其中就包括 CRISPR 套件。

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利用 CRISPR 套件 DIY 工具包,你可以在家扮演瓊脂塊上的上帝。圖 ODIN

當然,這個套件只是一個新手教學包——普通的大腸桿菌在塗有鏈黴素的瓊脂板上會被殺死,你按照說明,用 CRISPR 敲除大腸桿菌與鏈黴素結合的基因,再把改造後的大腸桿菌放在鏈黴素瓊脂板上,就能觀察到它在性命攸關的環境中生存了下來。

所以你沒法用這個 159 美元的套件來強化自己的皮膚。事實上,這是對 DIY 生物學家能力的高估。分子生物學實驗耗時耗力,需要用到專業的大型設備,由於 DIY 實驗室的限制,業餘愛好者只有在需要對基因作精確改變時才會去當地大學實驗室使用 CRISPR。

Zayner 表示,他所使用的細菌被認為是安全的,並不比皮膚上的細菌有害。但對於 DIY CRISPR 最大的擔憂,則是將修飾過的基因傳播到自然界。對此,加州的一名環境律師和生物駭客 Dan Wright 認為,這也十分困難,超出了大多數業餘愛好者的能力。畢竟這個操作需要將改造後動植物細胞培養成個體,這比養細菌要複雜得多。

糖尿病、癌症治療已經在日程上,但大多在非常早期

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將缺陷得到修飾的細胞輸回體內,或著修復代謝失衡,或著加強免疫細胞的攻擊力,從而起到治療的作用。示意動畫來自《麻省理工科技評論》

理論上,只要找到和疾病相關的基因,用 CRISPR-Cas9 編輯去掉致病的因素,就可以治療基因缺陷方面的疾病。科學家們憑此展開了各種各樣的設想與嘗試。

最有希望的應用是單基因疾病的治療,如囊性纖維化、鐮狀細胞性貧血和肌營養不良症。它看上去挑戰最小:修改人類基因組 30 億基因片段里的 1 段。

例如,鐮狀細胞性貧血是由血紅蛋白基因缺陷引起的,一個氨基酸的差異導致正常的血紅蛋白無法形成。

一個設想是,利用 CRISPR 技術將抽出的血液編輯基因,再重新輸回身體,就能產生正常的血紅蛋白。

但這種做法也不是一勞永逸,鐮狀細胞基因已知可以預防瘧疾,如果切掉了這段基因就失去了天然的防護。為此,張鋒創立、獲得蓋茨基金會投資的 Editas 公司正在解決這個問題。

類似的,如果能夠去掉編碼疾病相關蛋白的基因,就能中止致病蛋白的合成。

已經展開的研究有舞蹈病、帕金森和漸凍症等。糖尿病的潛在治療策略也類似,對 2 型糖尿病,去年隆德大學的一項研究關掉了大鼠體內組蛋白乙醯轉移酶的合成,從而增加胰島素的產生。

1 型糖尿病的策略腦洞更大,今年 8 月芝加哥大學的一項研究中,研究人員把基因編輯後的表皮幹細胞貼在小鼠的皮膚上,然後大量餵食,人造皮膚分泌的激素 GLP-1 會促進胰島素的分泌,從而免去了肥胖小鼠自己打胰島素的煩惱。

癌細胞的應對策略也類似。去年 6 月,賓夕法尼亞大學改造 T 細胞並灌注回患者體內,讓它能靶向攻擊骨髓瘤、黑色素瘤和肉瘤,並申請了人體實驗。還有一些研究則瞄準了癌細胞的弱點,利用 CRISPR 快速診斷並切掉癌症突變,並用來完善個體化療法。

除了修復內在的缺陷,CRISPR 技術還可以應對外來的威脅。切掉逆轉錄病毒的遺傳物質,如乙肝病毒、艾滋病病毒等。逆轉錄病毒感染細胞時,會將自己的遺傳片段整合進宿主的 DNA,再利用宿主細胞複製繁衍。因為它們藏匿在細胞核中,目前通常只能用藥物抑制它的複製,讓它的遺傳片段保持休眠。

基因編輯技術則讓人看到了將它從基因中切掉的曙光。已經有多個研究團隊設計出了靶向乙肝病毒基因片段的嚮導 RNA,並在細胞培養和小鼠身上做了測試,實驗均表明乙肝病毒的複製和藏匿都受到了破壞,是根除乙肝有潛力的治療方法。

艾滋病方面的研究也有諸多突破。有的團隊用這項技術改造免疫防線 T 細胞,去掉了 T 細胞表面結合 HIV 的 CCR5 受體,想讓病毒走投無路,無法進入 T 細胞破壞免疫系統,從而獲取對它的免疫力;有的團隊利用它切除在細胞核中藏匿的 HIV 基因片段,最新的進展是,5 月的一項研究稱,天普大學和匹茲堡大學的研究人員第一次在活體動物的基因組中清除了 HIV 的 DNA,從而將它在小鼠體內徹底消滅。

這意味著這種治療策略具有清除藏匿 DNA 的潛力,團隊正計劃在靈長類動物中重複這一研究。

這項技術並不僅限於重大的疾病,也可以用在很日常的地方。今年 4 月,威斯康星大學麥迪遜分校的研究團隊計劃用它對抗耐葯菌,他們打算改造一種病毒,為它添加定製的 CRISPR 相關的序列,感染人體內的細菌,從而誤導細菌開啟自毀程式,讓它死在自己的剪下。

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4 月的另一項研究則提出了一項非常便宜的感染快速診斷方法,這個名為 SHERLOCK 的工具在監測到特定病毒或細菌的遺傳序列後,就會切割 RNA 從而釋放熒光信號,達到快速指示的目的。這個測試的成本只有 61 美分,比顯微鏡觀察和組織液培養便宜得多。

對於蚊蟲叮咬導致的萊姆病和瘧疾,也有研究提出這種方法也許可以降低感染率。

CRISPR 技術還有可能解決器官移植的問題。本月《科學》上的一項研究為這種方案提供了可能性,一家名為 eGenesis 的公司利用這項技術,剪去了豬身上的病毒基因,從而消除了豬器官中很大的安全隱患,為此後的移植奠定了基礎。

只不過,以上提到的研究都處於非常基礎的階段,在體外細胞和小鼠中有效並不意味著這些疾病從此有葯可醫,中途還需要經過漫長的重複驗證和三期臨床試驗。

這些研究中,進展比較快的已經開始了臨床試驗。其中最早的是去年 10 月四川大學華西醫學院腫瘤學家盧鈾在晚期非小細胞肺癌患者身上的實驗,10 名患者接受了編輯過的免疫細胞的注射。團隊希望,對於化療、放療和其它手段均無效的患者,敲除 PD-1 基因的免疫細胞可以恢復對腫瘤細胞的攻擊能力。目前實驗還在進行當中。

4 月 28 日,南京大學魏嘉團隊在鼓樓醫院第二個開啟了在鼻咽癌患者身上的人體實驗。根據臨床試驗註冊表,中國正計劃多項敲除 PD-1 相關的癌症臨床試驗,包括乳腺癌,前列腺癌,膀胱癌,食管癌,腎癌,結腸直腸癌等。

賓夕法尼亞大學的研究團隊也在做類似的工作,他們希望招募到 18 名骨髓瘤、肉瘤和黑色素瘤的患者,並改造他們的免疫細胞,方法和盧鈾團隊相同。這個項目由 Sean Parker 贊助,也獲得了美國國立衛生研究院的批准,如果能獲得美國葯監局的批准,臨床試驗有望於今年開始。

除了癌症之外,關於失明的一項研究也正在計劃申請人體實驗。這項研究由 Editas 公司開展,治療 Leber 先天性黑內障導致的失明。但根據公司的說法,由於製造商的延誤,實驗將推遲到明年中期。

另一項針對 HPV 的臨床試驗則可能改變研究者們的思路。中山大學的這項研究沒有在體外編輯細胞,而是直接將含有 CRISPR 編碼的 DNA 凝膠應用到體內,從而破壞病毒的基因。

不過值得注意的是,CRISPR 技術只是基因編輯技術的一種新工具,用之前的工具編輯基因的療法早已進入臨床,並已經挽救了兩名患兒的生命。

而應用 CRISPR 技術的臨床試驗,結果還有待時間來揭曉。

目前提到的這些治療技術,除了中國正計劃的多項癌症臨床試驗外,其它基本都還在非常早期階段。

基因編輯後的食物可以不打「轉基因」的標誌

1946 年,科學家首次發現 DNA 可以在生物間轉運。直接植入抗體基因讓農作物自帶抵抗害蟲的轉基因技術極大的提升了農作物的產量。

問題在於人類長期使用添加了新增基因,是否會產生不良的影響?這種擔憂讓監管機構要求轉基因食物必須明確標註是被基因改造過的。

美國生物科技公司 AquaBounty 培育出來的轉基因三文魚,被美國食品安全局 FDA 強制要求標註轉基因才能銷售。由於擔心消費者對於轉基因食物的擔憂導致三文魚賣不出去,AquaBounty 公司選擇不在美國出售,只在加拿大出售三文魚,在加拿大,轉基因食物不用特別標註。

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兩條同樣年齡的三文魚。上方是 AquaBounty 的轉基因三文魚,下方是按照普通方法培養的三文魚。

但如果不新增基因,只是刪除掉不好的基因片段來改造農作物,這可能就不用標上轉基因標示了。

無論在中餐還是西餐中,白蘑菇都是一道重要的食材。不過,白蘑菇最好是現買現做,如果在冰箱中放上兩天,它就會變成褐色,並且黏糊糊的。

實際上,白蘑菇褐變是由一種叫多酚氧化酶(PPO)引起的。於是,賓夕法尼亞大學教授楊亦農和他的團隊利用 CRISPR 基因編輯技術,敲除了 6 個氧化酶編碼基因中的 1 個,將酶活性降低了 30%,從而延緩白蘑菇褐變,好處顯而易見,至少你可以在冰箱里多放幾天白蘑菇。

2016 年 4 月,美國農業部表示,它不會對 CRISPR 基因編輯過的白蘑菇進行監管。

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關鍵就在於通過 CRISPR 這種能精確定位基因片段的技術來刪除氧化酶編碼基因片段,並不會使用來自病毒或細菌的外來基因,所以並不會對周圍農作物產生任何可能的危害。

吃上這種白蘑菇可能還有段時間,雖然農業部明確表示不會監管由 CRISPR 基因編輯過的各種農作物,但美國食品安全局 FDA 還需要時間來確定是否能安全食用,以及是否需要像轉基因食物那樣明確標註出來。

但至少從原理上,僅僅是刪除掉不良基因的食物可能更容易讓監管部門接受。

不單單在農作物上,對於動物來說, CRISPR 基因編輯也能做很多事情。

母牛天生沒有角嗎?

恐怕很多人都不知道這個問題的答案。實際上,母牛是在很小的時候被人為去掉犄角,避免母牛用鋒利的牛角來攻擊。

普遍的方法是在母牛很小的時候用電烙鐵燒去角質部位。但這種常見的方法對母牛的年齡要求很高,一般在出生一個月以內完成,過早或者過晚都會容易造成母牛的疾病甚至死亡。

CRISPR 基因編輯的特點,就是在於可以精確控制基因資訊。通過基因編輯培育出沒有犄角的牛,已經出現在加利福尼亞大學戴維斯分校的研究室里。

定位並刪除牛角生長的關鍵基因,再培育出正常生長過程中不會長角的牛。這樣的模式並不僅限於對於牛角的改造,從動物傳染疾病到優化動物肉質口感的實驗都取得一定的進展,基因編輯正在實現更多的可能。

基因編輯農作物在視覺上不會造成太多的爭議,但沒有角的公牛或者由於修改基因導致出現體型巨大的肉雞是否會在心理上讓消費者難以接受。

這又是另一個問題了。

種族滅絕,已經從蚊子擴展到亞洲鯉魚

既然可以復活消失的物種,基因編輯某種程度上也可以用來滅絕某些物種。

像那些在夏天讓你非常討厭的蚊子。

登革熱、瘧疾、寨卡病毒,蚊蟲由於吸食血液而極其容易讓人類感染各種危及生命的病毒。

而雌蚊在產卵之後,2 到 3 天就能孵化出下一代蚊子。在雨林或者潮濕的熱帶地區,蚊蟲可以快速大量的繁殖,普通依靠藥物殺滅蚊蟲的方法無法抑制疾病的傳播。

2016 年寨卡病毒被蚊蟲快速傳播到全世界,短短一年時間,巴西已經有將近 4000 例感染病毒的新生嬰兒。

比起噴洒藥物滅蚊,CRISPR 基因編輯可以從最根本的繁衍上消滅蚊蟲。

美國密蘇里大學的研究人員通過 CRISPR 基因編輯對 25712 條幼蟲進行了基因片段的插入。這種片段可以使蚊子的眼睛在熒光燈下發出紅光。實驗的結果成功在幼蟲眼睛里檢測出紅光。

這說明被修改的基因片段確實可以影響蚊蟲,讓免疫病毒或者徹底刪除蚊蟲繁殖能力的可能進一步提高。

而 CRISPR 基因編輯也不單單能消滅攜帶病毒的害蟲,大量繁殖而影響生態的生物也可以用基因修改來改變繁殖的情況。

在美國各條河道大肆入侵的亞洲鯉魚就是最好的例子。

比起被調侃說,給我們簽證和飛機票就能吃光鯉魚的解決辦法, 用 CRISPR 基因編輯來解決鯉魚泛濫更加靠譜。

美國多家機構正在研究通過植入基因片段來驅動亞洲鯉魚只能繁衍出雄性,來減少泛濫的情況。

比起複活生物,在消滅物種上,基因編輯的效率可能更高。

為防止電影里的災難,基因編輯也有「自殺開關」

被基因改造過的生物從實驗室逃走引發一系列的災難,是好萊塢電影最常見的情節之一。

用技術改造基因會不會產生變異的生物,不僅僅是電影編劇的擔憂,至少科學家已經在考慮如何控制基因編輯導致可能的危害。

為了預防實驗室中被修改過基因的細菌「逃逸」。今年 2 月,麻省理工學院的研究人員利用 CRISPR 基因編輯開發了一種可以讓細菌自我毀滅的「自殺片段」。

細菌被植入了這種基因片段後,它將不得不依賴實驗室中培育細菌的環境。一旦離開了實驗室的環境,自殺基因片段就會被誘發,從而刪除細菌內特定的基因,讓細菌快速死亡。

在試驗中,大腸桿菌被植入一種名為 DNAi 的系統,這個系統分為兩塊組成部分,一種是通過 CRISPR 技術編輯過,可以準確定位細菌核心基因的片段,和另一種會被阿拉伯糖分子誘發,負責切除核心基因的 Cas9 酶組成。

測試中,在大腸桿菌接觸到阿拉伯糖分子僅僅 15 分鐘之後,99 % 的細菌都被殺死。

對於麻省理工學院的生物教授克里斯托弗·沃格特(Christopher Voigt)來說,這種技術不單單意味著可以誘發離開實驗室的細菌快速死亡,還可以保護一些機密研究成果不會被泄露。

利用 CRISPR 基因編輯控制細菌存活可以實現的作用有很多,至少我們不用擔心未來真的要面臨電影情節那樣的考驗了。

關於人體改造監管,禁止製造「完美」嬰兒是底線

治療癌症、滅絕蚊子、復活猛獁象……最近流行的 CRISPR 基因技術到底能做什麼,進展如何?

從優化農作物,到解決遺傳疾病,一方面,基因編輯技術的巨大潛力確實極具誘惑,至少科學家給我們描繪了一個無疾病、無飢餓、無污染和人人長壽的未來新世界。

哈佛和麻省理工的研究人員正在實驗用 CRISPR 技術切除肥胖基因,從而促進脂肪的燃燒。

約翰·霍普金斯大學的團隊也正在尋找和精神分裂、雙相情感障礙及抑鬱症相關的基因。

麻省總醫院則在開發基於 CRISPR 的阿茲海默症的治療方法。甚至有科學家正在努力尋找和衰老相關的基因,並試著敲除它們,以追求長壽的秘密。

但另一方面,人類胚胎基因編輯在技術和倫理上引發了激烈的爭論。

目前有許多國家通過法律來明確禁止人類胚胎細胞基因編輯,美國國立衛生研究院(NIH)明確表示禁止對人類胚胎進行任何形式的基因編輯研究。

去年,美國華裔醫生張進在墨西哥幫助一對攜帶萊氏綜合症基因的約旦夫婦誕下擁有父親、母親及捐贈者 3 人基因的健康嬰兒。

萊氏綜合征是一種遺傳疾病,會導致新生嬰兒無法正常發育。張進通過把母親的卵細胞核移植進入捐贈者已經先去除細胞核的健康卵子中,然後再植回母親的子宮中。

雖然這種移植技術僅僅只是略微涉及到基因編輯的範圍,遠不像 CRISPR 技術那樣對基因進行直接編輯,但美國食品與藥物管理局(FDA)還是向張進發送了一封措辭強硬的警告信。

信中稱,張進必須立刻停止在美國開展的胚胎臨床試驗。

不嚴格立法,可能帶來的後果就是非醫療為目的的基因編輯技術會大量增多,在將來甚至可能會產生一些超越常人的能力(比蝙蝠俠強,但不會到超人的地步)或者超級長壽的人類,並且可以向下一代依次傳遞。

而設計嬰兒讓自己的後代不僅是克服疾病,而是變得更美更壯。會導致人與人之間基因組的差異越來越小,嚴重影響生物多樣性。

更嚴重的是編輯中可能產生的脫靶或者別的基因編輯失誤,會引起基因的不穩定,增加慢性疾病的發病率。而這些異狀不會一開始就被發現。

當上帝並不那麼容易。

2015 年底,中美英等多國科學家和倫理學家在華盛頓舉辦「人類基因編輯國際峰會」。此次會議討論了是否應該開展人類胚胎基因編輯技術的研究或應用。

最終得出的底線是:禁止出於生殖目的而使用基因編輯技術改變人類胚胎或生殖細胞。這意味著,用CRISPR 基因編輯幫助自己治病可以,但不能用它來製造「完美」的下一代。

而近兩年,中、英、美等國陸續為胚胎的基因編輯開了綠燈,支持改造人類可遺傳性基因特性的臨床努力,但僅限於可能導致嚴重疾病和殘疾的基因的改造。月初,《自然》更是報道,美國第一個修復了人類胚胎的致病基因,將一種可能導致心衰的基因序列剪下來,得到的胚胎有 72% 沒有複製致病基因。但目前用這項技術編輯的胚胎,會在實驗室中及時被銷毀。

但目前,中國對於基因編輯技術無論是法律還是規範等監管措施方面依然存在著大量空白。