像病毒一樣持續複製，基因編輯離大發展不遠了

知識 05-18

每日科技新聞，看王煜全視點——

以下為新聞譯文：

By Geoff Ralston

人類進程的性質即將改變。這種變化激進而迅速，將會是史無前例。舊時代即將結束，嶄新的序幕即將拉開。

這場對人類而言的「變革」將通過一種新的遺傳技術來實現，這種遺傳技術有著無害的名字：CRISPR，聽起來像「crisper」（更清晰、更酥脆）。許多讀者已經從新聞中聽過這個消息，而主流媒體也將會報道更多這個話題。

CRISPR是規律成簇間隔短迴文重複序列的縮寫，用基因組學解釋，就像用vi（Unix操作系統的視覺文本編輯器）寫入軟體一樣寫入基因。這項可編輯的技術賦予了基因工程師前所未有的強大能力，可以讓他們變成基因黑客。在CRISPR出現之前，遺傳工程發展很慢，價格高，還欠缺精確度，CRISPR面世之後，基因組編輯價格降低，精確度提高，而且變得可重複。

這不是一篇CRISPR事宜的技術性文章，但裡面會討論一項名為基因驅動的生物科技，當與CRISPR一起使用時，會給遺傳學工程師帶來更強大的力量。具體的技術細節非常深奧，但我為那些感興趣的人總結了一些要點。我會在最後簡單地討論這兩項新技術的含義。

首先來說基本背景。 DNA所攜帶的遺傳密碼，可以看成是一款構建這個星球上所有生命形式的軟體。基因學，是一門解碼基因組的學問。但是事實上基因學深受修改基因密碼能力的限制，學科行進的步履蹣跚。這就好比軟體工程師們有通向大量至高至強程序的渠道，卻一點也弄不明白他們，更別說去編寫了。但若能夠掌握編輯和改變基因軟體的能力，接下來的研究才真正開始，對研究學者而言，這樣會更容易弄懂基因密碼如何運作，還可以修復哪些程序漏洞並進一步提升。黑客們將會嶄露頭角。

清楚它的來歷，是了解這項令人驚異的技術的最簡單的途徑。早在20世紀80年代，大阪大學的日本研究人員對細菌大腸桿菌的DNA進行測序，這時他們注意到有些奇怪的現象。 DNA由長鏈核苷酸構建而成，而在細菌DNA內重複出現奇怪的、不合時宜的核苷酸序列，這些核苷酸序列本身被看似隨機的DNA鏈打斷。過了一段時間，在其他幾種細菌中也發現了類似的重複核苷酸序列，這些序列被稱為CRISPR，因為該術語幾乎準確描述了研究人員發現的序列。但是在當時沒有人知道為什麼這段序列會在那裡，也不知道這段序列有什麼作用。

在這個探索過程，有幾個發現能夠回答這些問題，其中兩個異常重要。第一，三個不同的團隊使用最新的遺傳材料資料庫來指出，細菌中的這些奇怪的CRISPR序列看起來像出現了大量病毒DNA。第二，在美國生物技術信息中心工作的優秀進化生物學家尤金·庫寧（Eugene Koonin）洞察到這對於細菌抵禦病毒入侵的防禦機制可能至關重要。最終，這個想法使得CRISPR的作用被發現。

在人類歷史長流中，我們自己種族之間的戰鬥，與細菌和病毒之間的戰鬥是如此得密集而頻繁，可是細菌和病毒進行的史詩般的戰鬥中已歷經數十億年，這一點讓我們驚喜不已。每天成億上萬的細菌被病毒殺死（攻擊細菌的病毒稱為「噬菌體」）。更多的細菌設法抵禦了敵人—噬菌體，幸虧各種「軍備」，細菌已經演變為eons—— 免疫系統的基本形式。事實證明，CRISPR是對付細菌這種免疫系統行之有效的武器。

為了避免混淆，先讓我簡單澄清一件事。正如我們所知，「CRISPR」最初是某些奇怪的DNA序列。要使用這些序列構建防禦機制，我們也許需要創建一個名為Cas的編輯基因的工具，來用於CRISPR相關係統。有時，當提及特定類型的Cas蛋白時，您還會看到Cas9（或Cas3等）。因此，完整的工具集有時被合稱為「CRISPR / Cas」，但我通常習慣只是縮寫為CRISPR。

接下來說工作原理。當某些具有CRISPR的細菌在其武庫中設法抵禦病毒攻擊時，則使用Cas酶來捕獲病毒DNA片段並將其插入其自身的DNA中。如果同樣的病毒錯誤攻擊了這樣一個「精心準備」的細菌，細菌將使用CRISPR序列作為模板來識別病毒，然後使用Cas酶將其切割成惰性的非威脅性物質。

這個機制十分厲害。 Cas酶將CRISPR病毒基因從自己的DNA複製成RNA分子（如DNA，RNA是基因表達的基礎），創建了一個Cas + RNA包裝。然後在細菌細胞周圍隨機遊盪。當Cas包裝突破到另一個分子時，它會對DNA進行檢測，並且讀取核苷酸序列。如果它能與細菌的CRISPR序列對上然後複製序列，那麼我們就有了一個與這個細菌序列匹配的病毒。 RNA然後鎖定並且把Cas酶當作斷頭台，斬斷病毒DNA並使其失效（另一種理解就是，這個病毒已經「死」了）。如果這聽起來像是生物學中實現的免疫學的演算法，恭喜你答對了：(編程語言)

CRISPR.wander() – until encounter another molecule

If (new molecule contains DNA and DNA matches

CRISPR.dna) CRISPR.cas9.grab() // nab the viral dna

CRISPR.cas9.chop() // kill the virus!

continue

是不是很高大上？探索這個奧秘很可能取得博士學位，或者成為一名正教授，雖然不是諾貝爾獎那種改變人類的發現，但是你們所研究的所觀察的（與現在的競爭團隊），每個團隊都有同樣的獨特新穎的見解。這些前赴後繼的研究人員也明白，這個古老的防禦體系有可能徹底革新遺傳工程。如果可以利用CRISPR機制，他們能有一個工具可以精確地切出一片DNA。

除此之外，CRISPR和兩種不同的Cas9酶可以精確地從整體中剔除任意組合。當然這只是編輯過程的一半。如果需要刪除不需要的序列，仍然可以將其替換為目標基因。顯而易見，這是一塊「大蛋糕」。簡單地用酶來注入片段基因來替換剪切基因就可以了，而已經存在的DNA複合酶會整合編輯過的基因。

大多數激動人心的基因編輯技術只能作用於數量有限的生物體，而CRISPR最酷的特徵之一就是對所有的生物體通用。至少在理論上，它能作用於地球上的任意生命形式的細胞類型。

讓我們暫停一分鐘，思考一下CRISPR對人類未來的作用有多驚人。有了CRISPR，我們能消滅所有動物界的敵人，能治癒遺傳性疾病，能治療任何病毒或細菌性的病症，這些治療方法將會是持續有效的，我們甚至可能會治癒癌症。並且我們也將有能力創造定製的人類，同理，其他任何的生命形式我們都能「私人訂製」。

這就是CRISPR：創建最強大的基因工程工具。但CRISPR只允許一次修改一個基因，一次一個生物體。為了加強物種變化，CRISPR必須要通過另一個強大的現象來實現增量：基因驅動。先說一下它的定義，再介紹一個簡短但相關的著名編程攻擊事件。

基因驅動的概念已經存在了近15年。等位基因在有性生殖物種中通過世代傳播，每個後代有50％的幾率遺傳該等位基因（假定只有一個親本具有該基因）。所以，如果你有一對藍色眼睛的等位基因和一對棕色眼睛的等位基因，你的孩子就有50％的機會顯示其中一個性狀。顯然，外界的任何外力會使得下一代只有25％或其他幾率來繼承這個等位基因。

這個外力可能是什麼？最明顯的是自然選擇。如果一個特定的等位基因賦予其所有者優勢，那麼該等位基因很有可能會在種群中顯示該優勢。基因驅動就是一種使基因特別「自私」的機制，它無視任何選擇壓力，能使特定基因被遺傳的幾率超過50％。

這一點很重要，因為如果你想用CRISPR來大量影響種群，比方說改變瘧蚊使不再攜帶瘧疾。如果數百萬隻蚊子的基因不用每一隻都編輯，依然想看到未來種群的衰減（假設改變沒有賦予蚊子任何優勢），那麼一個基因驅動就有巨大的優勢，它會使被編輯過的基因在種群中快速鋪開。

講到這裡，故事中的新主角就出現了——麻省理工的 Kevin Esvelt 。 Esvelt 的想法是使用CRISPR 無與倫比的編輯準確性創建一個基因驅動。由此，他成功創造了有史以來最強大有效的基因驅動。

為了了解他的做法，我們簡短的介紹一下軟體行業。

1984年，Unix 操作系統的創始人，那個時代最棒程序員之一的 Ken Thompson，寫出了一個令他自豪的的 hack（下文中提到的向編譯器植入的後門後來被人們稱為「Thompson hack」，對計算機安全領域產生了重要影響）。他創建了一個能感染每個 Unix 操作系統內核的病毒，這是一個了不起的遞歸思想。工作流程如下：

? 第一步：Thompson 修改了 Unix 「登錄」程序的源代碼（用C語言編寫），給自己一個秘密後門，可以成為系統上任一用戶。

if (password == 「user』s password」 or password == 「ken』s special password」)

Log user in

在這一點上，這個相對溫和的攻擊將使 Thompson 有全部許可權去訪問Unix系統，包括他編譯版本的登錄代碼。但是這對能看到登陸程序的人來說也很顯眼。

? 第二步：（這是黑客攻擊真正隱密的一面），湯普森修改了C語言編譯器的源代碼，以識別何時編譯登錄程序代碼，並將病毒代碼注入到其編譯的輸出中，而不管原始來源）

因此，重建 Unix 的核心代碼時，就變成了一個潛藏的被黑客攻擊版本的 Unix 。這實際上是 Kevin Esvelt 的DNA攻擊的一個很好的模擬。

言歸正傳，Esvelt 發現DNA是生命本身的編譯器。一切生命，包括 CRISPR ，都是由DNA這個編譯器創造的。所以，像 Thompson 一樣，Esvelt 意識到，無論程序中的指令如何，都可以通過修飾編譯器本身來改變編譯過程。所以，這裡是對 Esvelt 的「黑客攻擊」的簡單定義：

? 創建一個CRISPR編輯，這將把目標基因用CRISPR植入胚胎的DNA中。例如，用藍眼睛基因替換棕色眼睛基因。

? 創建另一個CRISPR編輯，它將第一個創建的CRISPR編輯所需的指令嵌入在同一個DNA內。換句話說，通過修改生命的編譯器已經完成對其他DNA的識別和修飾。

? 在受精過程中，當修飾後的DNA與另一半結合時，這些指令會進而創建一個CRISPR編輯器，然後通過CRISPR修飾DNA，以確保雙鏈都有預期的變化。因此，即使父母的DNA沒有目標基因,顯現的是棕色眼色基因，但是該基因經過修飾之後就變為藍色。

? 所產生的生命體及其所有後代都將包含該變化。不管棕色眼睛的歷史淵源有多麼長久！

這是最終的基因驅動。無論創建了什麼修改，都可以在每個後代得到幾乎100％的可靠性複製。這將導致新的特徵會以前所未有的速度改變物種的基因組。

我們試圖控制或管理從蚊子到細菌等的各種不同的生物體時，這裡會有很多基因驅動的應用。我們也可以想像一下它在我們人類中的應用。有人認為以這種方式修改人類胚胎是有違倫理的，尤其是基因驅動能改變人性，政治家，宗教領袖和倫理學家將會禁止使用CRISPR。

但另一方面，想想它的好處。孩子出生之前，可以完全消除基因相關的疾病。更重要的是，隨著我們對基因組認知的提高，我們了解了基因驅動可以賦予我們的孩子和更下一代優勢，以及對社會的各種好處，比如，提高所有兒童10點（或20點或30點）的智力。

什麼能夠阻止人們試圖將理想的特性強加到人類身上？由上邊的例子繼續說下去，如果科學家對高級智力的遺傳基礎有了堅實的理解，那會發生什麼呢？什麼會阻止政府強制干預那些人口的變化？一個擁有強大執政能力的政府會如何抉擇呢？

我們已經開始為基於 Y Combinator 這一孵化器的一些公司的 CRISPR 技術募集資金，希望今後能募到更多。最重要的是我們要明白，一旦遺傳程序員獲得了生命的代碼，從此將沒有任何限制。應用的多樣性，不論是已經真實存在的還是未來可能發生的，都令人震撼。科學家們使用CRISPR來修改山羊的基因來生產一種神奇的材料——蜘蛛絲，但是單純從山羊的奶水裡提取很難量產。

有人提出，CRISPR可以治癒血友病並替代抗生素，而且中國科學家在爭議的情況下已經使用CRISPR修改過人類胚胎（將不會存活的人類胚胎）。以CRISPR技術編輯過的強化版人類，不像你們想像的那般遙遠。

CRISPR技術發展越來越先進、更準確、更可預測、價格更低，而且我們開始越來越多地了解人類遺傳密碼的秘密（這也部分歸功於我們現在可以使用CRISPR提取一個基因並用其他基因來替代的能力）。

趨勢是不可阻擋的，這樣的結果也不可避免：在不遠的將來，我們能以任何我們想要的方式來編輯包括人類在內的任何動物。是否要採用各種方式的修補來滿足我們的訴求，是一個開放性的問題，但我預測這只是時間的問題，直到有人或社會決定放手一搏。

王煜全視點：

這個是 MIT 的助理教授 Kevin Esvelt 的一個了不起的科研進展。我們都知道基因編輯技術很厲害，能去除掉或者插入任何你想要編輯的基因，把遺傳密碼整合到整個DNA里去。

但實際上，生物是不斷繁衍的，繁殖過程當中，只有50%的機會把被編輯過的基因傳遞給下一代，到第三代時就只剩25%了，如何保證不管交配的另一方是否被基因編輯過，子代（雙方的孩子）都能攜帶有被編輯的基因，還是個挺大的難題（想想血友病患者，他自己被基因編輯治癒了，但他的孩子總有患病的可能性）。

Kevin Esvelt 第一次提出一個思路，簡單理解就是把基因編輯系統做成病毒一樣，插到細胞裡面，然後每次細胞繁殖的時候，病毒就會啟動，進行一次基因編輯，把整個基因編輯操作變成可複製的。這個基因編輯操作里又含著需要被編輯被插入的這個基因，所以等於每一次分裂出來的細胞都是被基因編輯修飾過的。

理論上講就是，原來不含有這類遺傳物質的細胞，以後再被植入這個基因，所有的新生的細胞里就都已經含有了，從本質上就把基因改掉了。

這樣會使得基因編輯能進入到一個實質性的應用階段，因為它可以用來做真正的修飾了，而且結果是可以穩定遺傳的。

未來可能還有很多值得探討的地方，比如說，如果人或動物精卵結合的下一代是不是都會帶有基因修飾的這套系統，能不能通過自帶向下遺傳，如果能這樣那就更厲害，對整個自然界都是一個巨大的改動。當然潛在的危機風險也會大很多，因為一旦從實驗室泄露出去，就不是一個個體的問題了，整個物種都會受影響，因為它可以繁殖。

這是非常令人興奮的，實際上以前的遺傳疾病修改是一個特別頭疼的事，你可以把一個病毒植入到現有的細胞當中，感染現有的細胞，把遺傳基因的缺陷彌補掉。但是它是外源性的，沒有整合到你的遺傳系統里，下次你的細胞再分裂的時候，新的細胞中這個缺陷依然存在，所以要不斷的去做。現在有這個方法，就可以一勞永逸了。

人體是如此奇妙，就像人體有排異反應一樣，基因系統也有一套排斥外來基因的做法。其實 Crispr cas9 就是細菌基因排斥病毒基因的做法，病毒總是侵入細菌，細菌原來沒辦法，後來發現病毒有特異序列，它一旦被病毒感染，就會把這些特異序列放到自己的遺傳物質上，下次這個病毒再來就可以識別出來，之後用它的核酸剪切酶直接把病毒給五馬分屍了。所以本來它是一個抗拒外援 DNA 感染的工具，但是哺乳動物更複雜，也會有類似的機制能夠排斥外來DNA，所以這種病毒玩法能不能行有待考證。

可能未來長期效果還會有衰減。但總體從機理上講很傑出，用一個病毒的方式解決了複製問題，尤其是用病毒把複製的系統放到細胞裡面，確實很聰明。我覺得這是一個了不起的進展，會使得基因編輯技術離實用化大大地進了一步。

譯文翻譯：

劉濤，國家電網入職新人，外語愛好者

洛舒，只有死亡才能殺死我天生的好奇心和上進心

譯文校對：

門鳳曉蘇爽

參考原文：

http://blog.ycombinator.com/hacking-dna-the-story-of-crispr-ken-thompson-and-the-gene-drive/?from=groupmessage&isappinstalled=0

像病毒一樣持續複製，基因編輯離大發展不遠了