美國舊金山格萊斯頓研究所遺傳學(xué)家Bruce Conklin一直試圖找到DNA變異如何影響不同的人類疾病，但使用的工具有些笨重。當(dāng)他研究來自病人的細(xì)胞時，很難知道哪個序列對疾病來說很重要，哪些只是背景噪音。同時，將突變植入細(xì)胞是一項(xiàng)昂貴且費(fèi)力的工作。

2012年，他通過閱讀了解到一項(xiàng)最新發(fā)表的、被稱為CRISPR的技術(shù)。它能使研究人員快速改變幾乎任何生物體的DNA，包括人類。此后不久，Conklin放棄了此前為疾病建立模型的方法，轉(zhuǎn)而采用這項(xiàng)新技術(shù)。目前，他的實(shí)驗(yàn)室正在狂熱地改變同各種心臟疾病相關(guān)的基因。“CRISPR正帶來翻天覆地的變化。”Conklin說。

這種情感被廣泛共享：CRISPR正在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域引起一場巨變。不像其他基因編輯手段，它使用起來廉價、迅速且簡單，并因此席卷全球?qū)嶒?yàn)室。研究人員希望利用它調(diào)整人類基因以消除疾病，創(chuàng)造生命力更加頑強(qiáng)的植物，并且消滅病原體。“自從事科研以來，我經(jīng)歷過兩次大的發(fā)展。”康奈爾大學(xué)遺傳學(xué)家John Schimenti表示，像在1985年被發(fā)明后使基因工程領(lǐng)域發(fā)生革命性變化的基因擴(kuò)增方法——PCR一樣，“CRISPR正通過如此多的方式影響生命科學(xué)”。

不過，盡管CRISPR前途大好，但一些科學(xué)家擔(dān)心，這個領(lǐng)域極快的發(fā)展步伐幾乎沒有為解決類似試驗(yàn)可能引發(fā)的倫理和安全問題留出時間。當(dāng)今年4月關(guān)于科學(xué)家利用CRISPR改造人類胚胎的新聞曝出時，該問題被推到了聚光燈下。雖然他們使用的胚胎無法使嬰兒安全出生，但這項(xiàng)報道引發(fā)了關(guān)于是否以及如何使用CRISPR使人類基因組產(chǎn)生可遺傳的變化的激烈爭辯。同時，還有其他的顧慮存在。比如，一些科學(xué)家擔(dān)心，接受過基因編輯的生物體會擾亂整個生態(tài)系統(tǒng)。

引發(fā)研究革命

長久以來，生物學(xué)家一直在利用分子工具編輯基因組。大約10年前，他們因一種有望精確且高效地編輯基因、被稱為鋅指核酸酶的酶而興奮不已。不過，馬薩諸塞州布蘭迪斯大學(xué)分子生物學(xué)家James Haber表示，需要花費(fèi)5000多美元才能訂購到的鋅指并未被普遍采用，因?yàn)樗鼈兒茈y進(jìn)行基因改造且花費(fèi)頗高。CRISPR卻大不相同：它依靠一種利用引導(dǎo)性RNA分子將其導(dǎo)向目標(biāo)DNA、被稱為Cas9的酶，然后編輯DNA以擾亂基因或插入想要的序列。通常，研究人員需要訂購的只是RNA片段，其他成分都是現(xiàn)成的。全部花費(fèi)只有30美元。“這使得該技術(shù)走向大眾化，因此每個人都在使用它。”Haber說，這的確是一場巨大的革命。

CRISPR方法正快速超越鋅指核酸酶和其他編輯工具。對一些研究人員來說，這意味著要放棄曾花費(fèi)數(shù)年來完善的技術(shù)。“我很郁悶。”英國韋爾科姆基金會桑格學(xué)院研究所遺傳學(xué)家Bill Skarnes說，“但又很興奮。”Skarnes在自己職業(yè)生涯的大部分時間都在使用上世紀(jì)80年代引入的一項(xiàng)技術(shù)：將DNA插入胚胎干細(xì)胞，然后利用這些細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因小鼠。這項(xiàng)技術(shù)變成實(shí)驗(yàn)室的主力，但同時耗費(fèi)時間且非常昂貴。CRISPR所需時間很少，因此Skarnes在兩年前采用了這項(xiàng)技術(shù)。

研究人員傳統(tǒng)上嚴(yán)重依賴諸如小鼠、果蠅等模式生物。目前，CRISPR使在更多生物體中編輯基因成為可能。例如，今年4月，馬薩諸塞州懷特海德生物醫(yī)學(xué)研究所研究人員的報告稱，利用CRISPR研究了白色念珠菌。這是一種在免疫系統(tǒng)減弱的人群中尤其具有致死性但一直很難在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行基因操控的真菌。來自加州大學(xué)伯克利分校的CRISPR技術(shù)先驅(qū)Jennifer Doudna正在記錄被CRISPR改變的生物清單。截至目前，她已擁有近40個條目，包括致病寄生蟲——錐體蟲和被用來制造生物燃料的酵母菌。

然而，快速的進(jìn)步有著自身的弊端。“人們根本沒有時間描述這個系統(tǒng)中一些最基本參數(shù)的特征。”加州大學(xué)舊金山分校生物物理學(xué)家Bo Huang說，“現(xiàn)在有這樣一種心態(tài)，即只要它能發(fā)揮作用，我們就不需要理解它是如何以及為何發(fā)揮作用的。”這意味著研究人員偶爾會遇到故障。Huang和他的實(shí)驗(yàn)室奮斗了兩個月，使CRISPR適用于成像研究。他懷疑，如果對如何使引導(dǎo)性RNA的設(shè)計(jì)最優(yōu)化了解得更多，耽擱的時間會更少。

獲得廣泛應(yīng)用

去年，麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一個同人類代謝性疾病相關(guān)的突變tyrosinaemia。這是首次利用CRISPR在成年動物體內(nèi)修正致病突變，并且是將該項(xiàng)技術(shù)用于人類基因療法的一個重大進(jìn)步。

在科學(xué)和生物技術(shù)圈，CRISPR能加快基因治療領(lǐng)域發(fā)展的想法是一個主要的興奮點(diǎn)。不過，在凸顯潛力的同時，Anderson的研究還展現(xiàn)了真正應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)還有多遠(yuǎn)的路要走。為將Cas9酶和其引導(dǎo)性RNA送入目標(biāo)器官——肝臟，該研究團(tuán)隊(duì)不得不用泵將通常被認(rèn)為在人體內(nèi)不宜存在的大量流體送入血管。試驗(yàn)僅在0.4%的細(xì)胞中修正了致病突變，而這并不足以對很多疾病產(chǎn)生影響。

過去兩年里，一些公司如雨后春筍般出現(xiàn)，開發(fā)基于CRISPR的基因療法。Anderson和其他人表示，此類療法的首次臨床試驗(yàn)會在接下來的一到兩年內(nèi)進(jìn)行。這些首批試驗(yàn)或許將勾勒出CRISPR的應(yīng)用場景，即CRISPR成分能被直接注入眼睛等器官，或者細(xì)胞能從人體移除并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行基因改造后被放回體內(nèi)。例如，形成血液的干細(xì)胞可能被修正用于治療諸如鐮狀細(xì)胞性貧血癥或β-地中海貧血等疾病。雖然將酶和引導(dǎo)性RNA送入很多其他組織將是一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)，但研究人員希望有一天這項(xiàng)技術(shù)能被用于解決更廣范的遺傳疾病。

在Anderson和其他人正在瞄準(zhǔn)修正人類細(xì)胞內(nèi)的DNA時，一些人將目光投向了農(nóng)作物和牲畜。在基因編輯技術(shù)出現(xiàn)前，這往往是通過將基因插入基因組中隨意位置實(shí)現(xiàn)的，連同基因一起的還有來自細(xì)菌、病毒或其他物種驅(qū)動基因表達(dá)的序列。不過，這個過程效率很低，并且總是成為討厭來自不同物種的DNA混合在一起或擔(dān)心這種插入會擾亂其他基因的批評人士的素材。更重要的是，獲得轉(zhuǎn)基因作物使用批準(zhǔn)非常復(fù)雜且花費(fèi)頗高，以至于接受基因修正的都是大型大宗商品作物，比如玉米和大豆。

有了CRISPR，形勢將發(fā)生改變：快捷和低成本或許會使基因編輯成為較小型特殊作物和動物的一個可行選擇。過去幾年間，研究人員利用該方法對小型豬進(jìn)行了基因改造，并且獲得了抗病小麥和水稻。他們還在通過基因改造獲得沒有角的牛、抵抗疾病的山羊和富含維生素的甜橙等方面取得進(jìn)步。

生態(tài)系統(tǒng)或被改變

除了農(nóng)業(yè)，研究人員正在考慮CRISPR如何能被或者說應(yīng)當(dāng)被用于野外的生物體。大部分注意力集中在一種被稱為基因驅(qū)動的方法上，因?yàn)樗苎杆賹⒈痪庉嫽蛟谡麄€種群中傳播。這項(xiàng)工作正處于起步階段，但類似技術(shù)能被用于消滅攜帶疾病的蚊子或蜱蟲，清除入侵植物或消除使一些美國農(nóng)民飽受折磨的豬草中的除草劑抗性。

不過，很多研究人員非常擔(dān)心，改變整個種群或?qū)⑵淙壳宄龝ι鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生無法預(yù)知的災(zāi)難性后果：這可能意味著其他害蟲會出現(xiàn)，或者影響食物鏈上處于較高位置的捕食者。他們還擔(dān)心，引導(dǎo)性RNA會隨著時間的推移發(fā)生突變。隨后，這種突變將席卷整個種群，產(chǎn)生始料未及的影響。

“這種方法不得不擁有相當(dāng)高的回報，因?yàn)樗哂胁豢赡孓D(zhuǎn)的危險和給其他物種帶來的意料之外或很難預(yù)估的后果。”哈佛醫(yī)學(xué)院生物工程師George Church表示。2014年4月，Church和一組科學(xué)家及政策專家在《科學(xué)》雜志上撰寫了一篇評論文章，警告研究人員試驗(yàn)性基因驅(qū)動意外泄漏帶來的風(fēng)險，并且提出了防止此事發(fā)生的方法。

當(dāng)時，基因驅(qū)動看上去還是一個遙遠(yuǎn)的前景。然而，不到一年后，加州大學(xué)圣地亞哥分校發(fā)育生物學(xué)家Ethan Bier和他的學(xué)生Valentino Gantz報告稱，他們在果蠅中設(shè)計(jì)出類似系統(tǒng)。Bier和Gantz利用3層的箱子容納果蠅，并且采用了通常用于研究攜帶瘧疾的蚊子的實(shí)驗(yàn)室安全舉措。不過，他們并未遵循上述評論文章作者極力推薦的所有指導(dǎo)原則，比如設(shè)計(jì)逆轉(zhuǎn)基因改造所致變化的方法。Bier說，他們正在開展首個原理性試驗(yàn)，并且想知道該系統(tǒng)能否在變得更加復(fù)雜之前行之有效。

對于Church和其他人來說，這是一個明確的警告，即通過CRISPR開展的基因編輯的大眾化會產(chǎn)生無法預(yù)料和不想看到的結(jié)果。麻省理工學(xué)院政治學(xué)家Kenneth Oye說：“我們需要更多的行動。”美國國家研究委員會已經(jīng)形成專家組探討基因驅(qū)動，其他高級別商討也正在開始進(jìn)行。不過，Oye擔(dān)心，科學(xué)正在以閃電般的速度向前發(fā)展，而監(jiān)管上的改變可能只在基因驅(qū)動泄漏事件受到關(guān)注后才會發(fā)生。

然而，該問題并不是非黑即白。得州農(nóng)工大學(xué)昆蟲生態(tài)學(xué)家Micky Eubanks表示，基因驅(qū)動的提法最初讓他大吃一驚。“我最初本能的反應(yīng)是‘我的天，這太恐怖了。它是如此的令人恐懼’。”Eubanks說，但當(dāng)你再考慮一下，并將其同人類已經(jīng)造成并且將繼續(xù)造成的環(huán)境改變作下權(quán)衡，會發(fā)現(xiàn)它只不過是滄海一粟

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閱讀：  2015-06-12 09:18:36