基因編輯：「改寫」生命

知識 06-23

基因編輯：「改寫」生命

圖為新疆畜牧科學院培育出的遺傳修飾綿羊。新華社發

與其說是河北科技大學副教授韓春雨的躥紅讓基因編輯成為了「熱話題」，不如說是基因編輯大潮來勢洶湧，將韓春雨置身於風口浪尖之上。

2016年剛剛過半，基因編輯技術的「大爆炸」就已迭代上演。

韓春雨的Ng-ago技術問世還未足月，《科學》雜誌再次宣布基因編輯又一新工具出爐。6月2日，哈佛——麻省理工博德研究所核心成員張鋒等宣布，他們發現一種新的基於CRISPR系統的基因編輯工具，它以RNA為目標而不是DNA。新工具可提供新的、可調節的基因「敲除」能力。

張鋒同時也是Editas醫藥公司聯合創始人之一，這家公司近日宣布2017年將把CRISPR應用於治療萊伯先天性黑盲病的臨床試驗，這在基因編輯領域屬全球首次。

基因編輯技術不僅在「金字塔尖」閃耀光芒，眾多看似平凡普通的實驗室里，都在上演基因編輯的「造物」熱潮。

6月7日，新疆畜牧科學院宣布，他們使用基因編輯技術，在國際上首次獲得不同毛色圖案的細毛羊。

技術門檻的不斷降低，讓全球每個生物工程實驗室可以輕易拿到這場「基因編輯大賽」的入場券，爭分奪秒的技術競爭已趨白熱化。

即便是倫理爭議和未知風險重重，但行使「造物者」權力的巨大誘惑，讓一些科學家不惜冒險打開編寫生命的神秘魔盒。

6月2日，哈佛大學教授喬治·丘奇等25名科學家在《科學》雜誌上發文，宣布將籌集1億美元，啟動人類基因組計劃的「非官方」後續項目——人類基因組編寫計劃。

這可能會讓那些對轉基因食物心存疑慮的人更加困惑，甚至擔憂；也可能會讓堅信基因技術可以治癒癌症、艾滋病的人們歡欣鼓舞。

不管個人好惡如何，對於生命而言，一個全新的時代已經來臨。

□河北日報記者郭偉

「基因剪刀」從何而來？

1953年，劍橋大學科學家沃森和克里克向全人類第一次揭示了DNA雙螺旋結構。這一所有生命共同的化學密碼，掀開了生命科學的全新篇章。

但人類基因編輯的歷史則久遠得多，選育一隻花色更可愛的貓，培養一株產量更高的穀物……那些懵懵懂懂的「原始實驗」從未間斷。

耗時費力，得來全憑「運氣」的新性狀物種選育，無法滿足人類越來越多樣和緊迫的需要。20世紀30年代，科學家們開始用X射線來照射種子和蟲卵，使變異如同炸開的彈片一樣在基因組內四散開來。在上百個由射線處理過的植物和昆蟲中，只要有一例呈現出科學家們想要的性狀，它們就會被保留下來，得到精心的呵護與培養；而剩餘的則會被丟棄。紅色果肉的葡萄柚和啤酒主要原料大麥，都誕生於此。

一直到現在，科學家們仍常把種子和胚胎送入太空，期待它們在特殊環境下，發生人類期望的變異。

這比人類從狼群中選育出家犬速度快多了，但在新特性出現之前，科學家仍然需要像遠古人類一樣祈禱「這一次能有好運氣」。

但CRISPR和Ng-ago等「基因剪刀」技術的出現，讓在雙螺旋面前「刀耕火種」已久的人類，第一次擁有了「上帝之手」。

2007年，一家總部位於丹麥哥本哈根的乳品公司丹尼斯克公司的科學家找到一種能增強細菌防禦噬菌體能力的方法。

和大多數生物一樣，細菌也會受病毒感染，這使它們成為噬菌體，也就是成為正常細菌的殺手。不過漫長的進化旅途也讓細菌產生了應對之策：它們具備一種有高度適應性的免疫系統，細菌在遭遇噬菌體等病毒侵染之後，可以獲得其部分DNA片段並整合進基因組形成記憶，並通過這一記憶片段對再次入侵的噬菌體做出識別和反擊。

這種可用來對抗入侵的病毒及外源DNA的免疫防禦系統就是CRISR-Cas。

利用這一基本原理將基因插入DNA的目標區域替代原有基因的過程，正是對基因的編輯和改造。來龍去脈實際上還要複雜很多，但多數公眾無需讀懂這段需要用晦澀艱深的專業語言才能講述的過程。拋開科學家在顯微鏡下展示的複雜技術細節不談，淺顯易懂的結果是：這一「自帶自動導航系統的微縮版小剪刀」能夠實現任意基因在任意物種間的自由移植，甚至細菌的基因都能被植入人類的DNA內。

頗為奇妙的是，這些「基因剪刀」能夠改變自身的形狀來截取DNA，並使用極其精準的分子手術刀將其切碎。

更讓人興奮的是：這一技術不算昂貴，甚至「很簡單」。

韓春雨的新一代「基因剪刀」Ng-ago，更是將這一編輯工具的便利性推向新的高度：它規避了原有技術令人頭痛的「脫靶效應」，幾乎可以做到如六脈神劍般「指哪打哪」，能有效針對基因組內的任何位置進行定位並改造，讓基因編輯技術實現「精準、簡單操作」，再一次大幅降低了基因編輯門檻。

改寫「生命劇本」

世界也許還沒準備好，但改寫「生命劇本」已經成為觸手可及的現實。

天生原本應該白白的小羊羔，如今一出生卻與眾不同：兩隻毛色純黑，頭頂部有白色斑點;兩隻毛色黑白相間像大熊貓的外衣;還有一隻毛色是棕白相雜。

給小羊羔「染髮」的，不是化學試劑，而是「基因剪刀」。

新疆畜牧科學院課題負責人劉明軍說：「今後將有更多具有不同優良性狀的，經過基因編輯的家畜新品種誕生。」

幾十年到上百年的選育過程，在「基因剪刀」剪裁下，再無需經年。

問世不到5年的基因編輯技術，成果已經遍地開花。

通過基因編輯，研究人員逆轉了基因突變所致的失明，阻止了特定癌細胞的增殖，甚至幫助人體細胞免受HIV病毒感染。

農學家們已經成功地讓經過基因編輯的小麥抵抗白粉菌侵襲。生物工程師已經用基因編輯技術來改變酵母菌的DNA，讓其分解植物組織從而生產乙醇。

這些「基因剪刀」的「小實驗」，讓一些曾遙不可及的夢想曙光初現：再不用擔心糧食作物無法適應環境變化減產絕收，地球90億居民的口糧來源不再是難題；生物能也許將成為重要的能源來源，取代岌岌可危的化石能源體系……

但還有什麼，比為人類自己的DNA做次「美顏」更值得期待？

2015年4月，中山大學生命科學學院副教授黃軍就完成了全球首次對人類胚胎進行的遺傳性致病基因的修復實驗，引發全球關注。

使用「基因剪刀」，代代相傳，無法逃避的導致β型地中海貧血的基因被輕鬆「剪掉」。

黃軍就認為，人類的很多疾病與基因遺傳突變有關，比如地中海貧血、遺傳性眼疾、癌症、老年痴呆症等。運用基因編輯技術，人類未來可以「修正」突變的基因，根治這些疾病。

如果說有什麼能幫助人類超越「命中注定」的輪迴，那基因編輯肯定是最現實的「法寶」。

南京醫科大學的戴一凡教授正在繼續推進他的「基因編輯豬」邁嚮應用，通過基因編輯技術，他們育出基因改造的克隆豬作為異種移植的供體，以解決目前人體器官移植供體嚴重不足的現狀。「我們將降低豬組織器官的免疫源性以及提高豬器官和人的相容性。希望能夠在豬上長出人的器官，大大降低免疫反應。」

前景看上去一片光明。人們甚至開始為了「圖個方便」，隨手「剪上一刀」。

在美國，每年近80%的奶牛的角要被移除，以保護操作工人和其他奶牛。日前，一群研究人員宣稱，他們成功編輯了奶牛基因組，將一種同不長角存在關聯的天然等位基因引入奶牛胚胎——5頭健康的小牛降生了，而且都沒有長角。

「基因編輯大有用武之地，但目前，我們仍不能把基因編輯技術『神話』，以現有技術而言，『基因剪刀』對單基因改造十分方便，但一些疾病由許多基因共同影響導致，精準編輯改造目前仍難以做到。」韓春雨表示，「這其中就包括許多癌症。」

研究證明，糖尿病和一些癌症，受成百上千個基因調控。對於這種情況，基因編輯就只能降低患病風險，而不能完全預防或治癒疾病。

「潘多拉魔盒」？

在里程碑式的人類基因組計劃結束10多年後，喬治·丘奇等25位科學家本月宣布籌資1億美元啟動人類基因組編寫計劃。

人類基因組計劃重點是基因測序，讓科學家能夠「閱讀」基因組。而人類基因組編寫計劃的重點是構建基因，讓科學家能夠「編寫」基因組。

人類基因組編寫計劃的宏偉目標之一是，在10年內把合成大型基因組的成本降低為現在的千分之一。而近期目標是合成1％的人類基因組，並提出6個先導項目，包括構建特定染色體或複雜癌症基因型以更全面地模擬人類疾病、修改豬基因組以用於異種器官移植等。

「人類基因組有30億個鹼基對，每個人之間有3000萬個鹼基對的差別。」人類基因組編寫計劃發起人之一，哈佛大學青年科學家楊璐菡說，「這些差別怎麼讓我們在外形、性格、體質以及生老病死上有不同，我們了解甚少，如果把生命比喻成一個黑匣子，人類基因組編寫計劃將讓我們可以改變輸入，觀察輸出，來找到生命的規律。」

但在許多人看來，這個「黑匣子」很可能是個「潘多拉魔盒」。

去年開始，包括中美在內的多國研究人員都嘗試使用「基因剪刀」改寫特定蚊子的遺傳基因，最終減少乃至消滅特定蚊子品種。

這一努力旨在消除多種蚊源性傳染疾病。

但由此引發的生命倫理爭議不絕於耳：蚊子被消滅後，會否打破生物鏈平衡，引發可怕的「蝴蝶效應」？

而這還不是全部，更為驚心的擔憂是：這一技術可以消滅蚊子，也可以成為人類生存的威脅。

不久前公布的美國情報界年度全球威脅評估報告中，基因編輯技術登上了「大規模殺傷性與擴散性武器」威脅清單。

現實是，只需花費60美元就可以購買到基因編輯技術所需的基本材料。

「基因編輯技術能否用來創造生化武器？我目前還沒有想到非常有效的方式。」中科院植物研究所植物分子生理學實驗室主任劉春明曾向媒體表示，「但是這個方式本身應該是存在的。」

在韓春雨的實驗室中，大腸桿菌是一種常用的試驗用菌。通過克隆技術，這些細菌在20分鐘之內就能從1變2，然後指數級增長。

「這種細菌危險性也不容小覷，最初規範要求必須在負壓實驗室中才能使用，但現在已經在普通實驗室里大量應用。」韓春雨表示，「科技是柄雙刃劍，同樣的克隆技術也可以被用來增殖更加危險的細菌，甚至成為生化武器。但顯然，目前這種危險係數被控制在低水平。」

「這需要建立嚴密的安全制度。」韓春雨認為，「對於國家而言，最好的防禦就是加強研究，把主動權掌握在自己手中，讓基因編輯技術服務人，保護人。」

（責編：tibet）