生命的編程時代和科學的曲折向前之路

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本期編輯：賈瀟一

本期美編：張雲鵬

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大家好，我是張岩。

2015年，CRISPR-Cas9基因編輯技術曾被《科學》雜誌評為「年度科學突破」，相關應用也曾入選2014年與2016年的《麻省理工科技評論》「年度十大科技突破」。科學界相信，一個以基因編輯為基礎的後基因組時代已經來臨。

然而，近幾日在《自然》子刊《Nature Methods》上發表的一篇通信文章卻發現在小鼠的活體實驗中，使用CRISPR技術雖然成功修復了導致小鼠失明的基因，但是卻讓小鼠體內出現超過1500個單核苷酸發生突變(SNVs)，並有上百個位點發生了大片段的缺失和插入。因此作者在文中建議應考慮使用全基因組測序來確認體內脫靶突變的存在。

雖然這則爆炸性的研究迅速成為了生物領域關注的熱點，但我認為這篇一頁出頭的文章並不是實驗證據充足的學術論文，而是一篇correspondence，不屬於正式發表的科學結論。首先是文中實驗樣本數過少，無法確認出現大規模脫靶效應是CRISPR本身的問題還是實驗的系統誤差。其次該實驗只是基於一個sgRNA的數據，而該sgRNA特異性評分很低，造成許多脫靶效應也在預料之中，無法證明其他sgRNA也會出現該現象。

科學發現的過程本就曲折，從文藝復興到星際探索，伴隨鮮花和掌聲，但也是血淚相伴的艱苦征途。質疑、爭論，無數次的嘗試與修正，正是在這種螺旋式的前進甚至是倒退和再前進的過程中，在一次次對自我認知的顛覆中，人類一路從蠻荒走向文明，不可否認基因編輯技術是生命時代最偉大的成就之一，它的力量不可估量。

」

2017年基因編輯技術迎來了小高峰，技術的突破讓它有很高的呼聲在這兩年贏得諾貝爾獎。目前全球很多基因編輯公司比如CRISPR Therapeutics和Editas已經獲得了高額的風險投資，並且一旦新葯研究或新療法報批通過，它們的估值將會迅速上升，投資回報將會非常可觀。今天我們就和張岩一起與你回顧基因編輯技術的發展歷程，緊握這隻改寫未來的「上帝之手」。

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以下，供你參考。

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逆天改命的終極理想

在人類繁衍和探索世界真相的漫長歲月里，人們逐漸認識到是一些看不見的神奇因子決定了每個生命個體獨一無二的特性。

百年前，人類發現這種最終確定名為「gene」的遺傳因子就深藏在每個細胞里，鐫刻在已經綿延千年萬載的DNA雙鏈上，生命的根本隨著它們代代相傳。

「人類基因組計劃」完成後，關於我們自身的秘密也大白天下。我們從根本上講都是由生命的四張基本牌組成，這四張基本牌就是ATCG四種鹼基，由它們組成DNA，一段有意義的DNA就叫做一個基因（gene），而所有基因在一起就叫做一個人的全基因組。

一副撲克牌除去大小王有52張，有黑紅梅方四種花色。一個人的基因組也可以看做是一副牌，爸爸給了30億張，媽媽給了30億張，我們一共有30億對。我們通常把這副撲克牌分成23摞，每一摞就叫做一條染色體。我們的美醜顏值，高矮胖瘦歸根結底是這些牌的順序不太一樣。

當然直到今天，對於人類基因組這部天書，我們能讀懂的部分仍然不多，但是就像人類科學史曾經無數次證明過的那樣，更深入的探索和更深刻的理解將帶來更偉大的力量。

當我們開始理解生命的真相後，我們就希望利用這些真相使我們自己變得更強大，強大到足以逆天改命，對上帝說「NO」。

早在1963年，剛好是DNA雙螺旋結構發表10年，沃森獲諾貝爾生理學或醫學獎1年之後，美國分子生物學家、諾貝爾生理學或醫學獎獲得者喬舒亞·萊德伯格就預言，通過修改人體基因來治療疾病的時代正在來臨。

1990年，四歲的小女孩德希瓦爾因缺少腺苷脫氨酶( ADA) 而患重度聯合免疫缺損和免疫系統功能低下。美國國立衛生研究院( NIH) 臨床中心的威廉·弗倫奇·安德森博士收集她的白細胞，然後在體外利用逆轉錄病毒載體將能夠正確編碼腺苷脫氨酶的ADA基因插入到德席爾瓦的白細胞基因組中，最後將這些基因工程改造後的白細胞重新輸回德席爾瓦體內。之後的檢測證明，德席爾瓦體內的白細胞確實可以正確地合成腺苷脫氨酶。

基因治療從科學家和科幻作家的幻想走進現實。第一次有生物開始從造物主的視角，向進化給人類帶來的病痛折磨宣戰。但是站在2017回望過去，在整個20世紀90年代，與其說基因治療帶來了全人類的生之希望，不如說帶來了生命科學領域前所未有的泡沫。

革命性的概念和隨之而來的巨大商業利益驅動著這個領域大躍進式發展，但是超高速發展的背後卻是清晰的臨床結論的缺失。截至2000年，全世界大約有4000名患者參與了500多個基因治療的臨床試驗項目，其中77%來自美國，69%是針對癌症治療。這些臨床試驗全部以失敗告終，沒有一項順利進入到大規模臨床應用階段。

曾經的基因治療之父威廉·弗倫奇·安德森面臨22年的監禁

基因治療20年，彈指間，灰飛煙滅

特別是1999年深秋，18歲的美國男孩傑西·格爾辛格參與了美國賓夕法尼亞大學基因治療項目並接受腺病毒載體注射，4天後，因多器官衰竭死亡。依據後來的調查，格爾辛格很可能死於免疫系統對腺病毒載體的過度反應。儘管格爾辛格一家人表現出了寬容和對科學的奉獻精神，但格爾辛格的死亡無疑代表著基因治療進入最黑暗和最艱難的一段時期。

在全新的、高度複雜、個體化和涉及患者生命健康的技術領域，對於諸多關鍵問題缺乏深入、系統的探索與足夠的認識。

在這種情況下，部分研究者在學術或者產業利益影響下的盲目樂觀和激進在某種意義上阻礙科學進步與產業的發展。然而客觀地、回顧性地來審視那個時期，有一點毋庸置疑，就是基因治療標誌著一個偉大時代的開始。

人類從此開始試圖修改自身的遺傳信息，對抗億萬年進化的代價。經歷過慘痛的代價後，基因治療領域摒棄商業誘惑、幻想與狂熱，開始重歸學術、希望與理性。但是從上世紀80年代基因打靶開始，到後面的ZFN，到再後面的TELEN，很多研究機構都進行了大量研究，但均由於效率低、耗時費力等缺陷而一直沒有得到大規模應用，難以走進臨床。直到2012年，一個高效簡便的方法CRISPR-Cas9出現才峰迴路轉。該技術由於設計簡單，靶向性強，短期內得到全面發展。

2

逆天改命的「手術刀」

CRISPR-Cas9是一種在大多數細菌和古菌中存在的天然免疫系統，它利用插入到基因組中的病毒DNA（CRISPR）作為引導序列，通過Cas (CRISPR相關酶)來切割並清除入侵的病毒基因組。

據美國Wired報道，丹麥丹尼斯克食品公司於2005年在一種嗜熱鏈球菌基因組中發現特定的短迴文重複序列與侵入該菌的噬菌體的基因片段高度相似，並意識到這些序列可能在細菌對噬菌體的防禦中扮演了重要角色，這些重複迴文序列被稱為CRISPR。

2013年，張鋒等科學家首次報道了CRISPR-Cas9系統在哺乳動物基因組編輯中的應用。2017年2月15日，美國專利局審查與上訴委員會作出裁決，判定張鋒及麻省理工/哈佛MIT聯合創辦的BroadInstitute所申請的 CRISPR基因編輯專利，與加州大學伯克利分校Dougna實驗室和歐洲合作者Charpentier的CRISPR發現，並不重疊或存在衝突， 因此張鋒與Broad Institute得以保留其已經得到授權的CRISPR專利權。隨後三天，Editas Medicine股價大漲40%以上。

3

FDA基因改造三文魚和基因編輯蘑菇

這部分先不懟崔永元（以免拉低我們這個公眾號的智商）。我們要談談比基因治療更近一點的未來。

轉基因食品這個概念正在被情緒化、政治化、泛倫理化乃至陰謀論化，我們在上一篇《A Chinese renaissance：中國生命科學的新千年》提到，轉基因農業是人類社會的新希望，靠它可以解決人類社會面臨的很多問題-病蟲害防治、過渡依賴農藥、第三世界的糧食安全等。

2015年11月19日，在確認其食用安全性五年、環境安全性三年之後，美國食物藥品管理局（FDA）批准了水恩公司（AquaBounty）的轉基因三文魚品牌「AquAdvantage」上市，從而使之成為首個獲批的供食用轉基因動物。

AquAdvantage三文魚的「本體」是大西洋三文魚，但它體內有一個基因來自另外一種三文魚——大鱗大麻哈魚。

這項技術其實早在1989年就誕生了——那時加拿大的加斯·弗萊徹（GarthFletcher）博士和他的研究組首次實現了改變大西洋三文魚的生長激素調節方式，使得它們能夠全年生長，而不僅僅在春季和夏季生長。

這個基因並沒有改變它們的生長激素的類型，只是提高了分泌水平；它也沒有對最終的魚肉產生影響，只是讓魚更快地生長到成年體型。另外，這種三文魚體內還有一個來自美洲綿?的啟動子——一個分子開關，用來調節生長激素的合成。

AquAdvantage三文魚和與之同齡的標準大西洋鮭。圖片來源：AquaBountyTechnologies

基因改造的三文魚的主要特點是生長迅速，僅需18個月便能長成——而常規三文魚需要至少三年。

怎麼吃合適？

絕對是抹上照燒醬吃烤魚！再撒點小蔥和檸檬汁，配上一杯好味的白葡萄酒和一碗噴香的肉菜燴飯。說不定還能用夏威夷產的轉基因抗病毒木瓜做餐後甜點呢！

2016年4月，美國農業部(USDA)宣布將不會對採用基因編輯工具CRISPR–Cas9進行遺傳工程改造的一種蘑菇實施管控。這一期待已久的決定意味著，無需通過該機構的管控過程就可以栽培和銷售這種蘑菇——使得它成為了從美國政府那裡得到綠色通行證的第一個CRISPR編輯生物。

經過基因編輯降低了能夠導致褐變的酶的活性

蘑菇怎麼吃？小雞燉蘑菇！

我們看到利用基因編輯技術去修改農作物的基因，似乎可以繞過轉基因食品安全擔憂。過去五年間，已經有幾種利用基因編輯技術開發的農作物進入市場。

比如土豆在冷藏過程中，澱粉會緩慢分解成蔗糖、葡萄糖和果糖，之後如果要進行油炸的話，糖類在高溫下分解成一種致癌物丙烯醯胺。而Calyxt公司利用基因編輯技術破壞土豆基因組中的一個控制澱粉分解的基因，這樣就可以減少致癌物的產生，再比如中國和韓國的科學家破壞豬基因組裡抑制肌肉生長的基因，這樣就可以生產瘦肉型的肉豬，等等。

我們只是看到了更多的可能，其實再狂熱的轉基因反對者也不可能隔離所有轉基因產品，即使是崔永元。當今社會已經離不開轉基因了，胰島素大多是由轉基因技術改造的細菌產生的；乙肝疫苗使用轉基因酵母生產的；酸奶和啤酒也是用轉基因菌種生產的；我們吃的豬肉、雞肉使用轉基因豆粕餵養的，等等等等。

4

基因編輯的關榮與夢想

基因編輯在農業領域已經初試鋒芒，那麼在基因編輯的主戰場基因治療領域又將有什麼樣的驚喜呢？

在生命科學領域我國已經走在世界的最前沿。2016年底世界上第一例基因編輯人體試驗在中國進行。

中國四川大學華西醫院腫瘤科主任盧鈾的團隊利用CRISPR技術對患者的免疫細胞進行基因編輯，使免疫細胞中負責編碼PD-1蛋白的基因失去活性。

這種蛋白能調節細胞的免疫反應，而癌細胞利用這一特點在人體內擴散。10月28日，這名患者接受了第一次基因編輯細胞人體注射，以期在PD-1蛋白不發揮作用的情況下，基因編輯細胞能殺滅癌細胞。研究人員會在注射之後的6個月內關注參與患者是否出現嚴重副作用，6個月後再評估該療法的效果。

四川大學華西醫院腫瘤學教授盧鈾

這個叫萊拉的小女孩， 3個月大時被確診為急性淋巴細胞性白血病晚期，放療無效，化療無效，骨髓移植無效，當全世界的血液腫瘤專家認為她會很快去世的時候，來自法國Cellectis公司的基因科學家通過改造的免疫細胞結合基因編輯技術做出了一種超級藥物，這個藥物跟這個孩子的免疫系統不發生排斥反應，同時躲開了這個孩子使用的所有藥物，她很快就康復了，這是精準醫學最完美的組合拳。

2017年2月6日， Cellectis公司宣布其通用型CAR-T療法UCART123獲得了美國FDA研究型新葯一期臨床試驗批准，這也是迄今為止全球第一個獲得FDA批准的以CD123為靶點的通用性CAR-T臨床試驗產品，這預示著人類在戰勝癌症之路上取得了前所未有的成功。

基因編輯還在創造著奇蹟……

5

上帝之手

「曾經的天方夜譚已變得觸手可及。」加州理工學院的大衛·巴爾提摩說，「改變人類遺傳的技術已近在眼前，我們需要決定，我們的社會該怎樣運用這種能力。」

當我們掌控了一種近乎神的力量之後，一些老生常談，比如扮演上帝、定製嬰兒又成了眼前亟待解決的問題。無論是試管嬰兒、克隆、幹細胞治療、還是線粒體置換療法，每當新一波基因技術出現，倫理站在科學的對立面時，這些問題就要被重新提起。

擔憂不是沒有道理：基於CRISPR-Cas9技術的基因編輯在技術上遠未成熟，此時輕率啟動人類胚胎和生殖細胞的基因編輯，很有可能出現意想不到後果。

來自宗教、法律和普通大眾的批評和質疑也順理成章，對人類自身的遺傳改造將會在根本上動搖人類社會的價值觀。人何以為人？如果混合了其他生物的基因，人還是人嗎？修改人類基因是否會造成永久性的階級分化和不平等？父母和醫生替孩子決定他們的基因，這樣做是否道德？

然而存在風險與未知並不是阻礙科學進步的理由。

《三體》作者劉慈欣在科幻小說《天使時代》中寫到：當分子生物學對生物大分子的操縱和解析技術達到一定高度時，這門學科就面對著它的終極目標：通過對基因的重新組合改變生物的性狀，直到創造新生物。這時，這門科學將發生深刻變化，將由操縱巨量的分子變為操縱巨量的信息，這對於與數學仍有一定距離的傳統分子生物學來說是極其困難的。

直接操縱四種鹼基來對基因進行編碼，使其產生預期的生物體，就如同用0和1直接編程產生WINDOWS XP一樣不可想像。

依塔最早敏銳地意識到這一點，他深刻地揭示出了基因工程和軟體工程共同的本質，把基礎已經相當雄厚的軟體工程學應用到分子生物學中。他首先發明了用於基因編程的宏彙編語言，接著創造了面向過程的基因高級編程語言，被稱為「生命BASIC」；當面向對象的基因高級語言「伊甸園++」出現時，人類真的擁有了一雙上帝之手。

青山遮不住，畢竟東流去。

生命的編程時代，正向我們走來。

參考文獻：

Unexpected mutations after CRISPR–Cas9 editing in vivo. Nature Methods 14,547–548 (2017)

CRISPR repair reveals causativemutation in a preclinical model of retinitis pigmentosa. Mol. Ther. 24, 1388–1394 (2016).

上帝的手術刀-基因編輯簡史 王立銘 浙江人民出版社

天使時代 劉慈欣

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