「艾滋病免疫嬰兒」誕生：基因編輯技術，為何成為爭議的漩渦？

編者按

2018年11月，據人民網報道，南方科技大學生物系副教授賀建奎宣布，一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒於11月在中國健康誕生。

基因編輯技術是什麼？

是誰發明了這個相當於金礦的技術，又是誰讓它熠熠生光？為什麼中間出現了利益之爭？

直接編輯生物基因，會產生怪胎嗎？

這些問題，將在本文一一解答。

本次實驗編輯的是什麼基因，有什麼好處和壞處？

這次案例，暴露出了哪些問題？

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如果盤點一下生命科學最近五年的大新聞，有一個詞是無論如何也繞不過去的，那就是「基因編輯」。

離我很遠，不明覺厲，偏偏又經常聽說——這也許是一般人對基因編輯的幾個印象。拋開媒體的種種稱讚反思深刻批判不談，咱今天就事論事地來講講，這基因編輯究竟是個什麼東東，又能帶給我們些什麼西西？

基因好好的，為什麼要被編輯？

如果你想了解汽車某個零件的功能，你會怎麼做？最簡單粗暴的辦法就是把這個零件拆了，改了或是多裝幾個，看看汽車會出現什麼變化。

研究基因的過程差不多也是這回事：將生物的基因序列做某種改造，看看生物會因此出現什麼變化，從而了解那個基因可能的功能。把基因拆了、改了之類的操作，就可以叫做「基因編輯」。

不過，想拆螺母只要找個扳手，而編輯基因可就艱難多了。基因是潛藏在細長DNA鏈中的一段段序列。對於包括人類在內的多細胞生物來說，DNA被細胞層層疊疊的膜結構保護著，還有非常嚴謹的DNA修復機制應變。可以想像，細胞當中的DNA猶如一個身處於城堡之中的「小公舉」，身邊還有一大堆僕從侍衛保護，想對它做什麼手腳，並不簡單。

因此數十年來，科學家一刻也沒有停止過尋找更高效的基因編輯工具。

派往基因的「特務」

經過仔細研究，科學家發現，那保護DNA的堡壘里安保人員雖多，但好在智商捉急。比如當基因受到損傷的時候，負責具體修復工作的蛋白質只是在細胞里拉一段DNA過來跟損傷的DNA比對一下，如果兩者長得差不多，拉來的那段就被當做模板拿去修復了。

上世紀八十年代，奧利弗·史密斯（Oliver Smithies）等科學家就想了一招：故意塞給細胞一堆「假模板」。他們首先根據需要人工合成一些DNA，並且故意把這些DNA序列設計得和某個基因的序列有點像，然後將它們塞到細胞裡面去。細胞果然沒讓人失望，真的就拿「假模板」張冠李戴地修復了真的基因，結果把基因「修復」成了科學家所希望的樣子。

這種被稱為「同源重組」的技術差不多就是最原始的「基因編輯」。只不過，這種「基因編輯」的前提是目標基因要自己出現損傷並啟動細胞的修復機制。然而，DNA本就被重重保護，難得出現一丟丟損傷，你還要這損傷剛好出現在某個基因上，這種事可遇不可求呀。

不過，科學家的服務向來貼（xie）心（e）：你細胞的DNA不容易受損傷，我就幫你受傷嘛——送個「特務」去細胞里搞破壞就是了。可難的是得讓這特務只破壞科學家希望他破壞的基因，而不傷無辜吃瓜基因分毫。這樣高素質的特務，當時科學家費了老鼻子勁在自然界中找了二十幾年也沒找出來。

到了21世紀初，他們心一橫想，既然世上沒有，那乾脆人工造好了。於是，兩個「人造特務」出現了：一個是Sangamo公司主導研發的「鋅指核酸酶」（Zinc-finger nucleases，ZFNs），令一個則是由全球眾多科學家一點一點搗鼓出來的「轉錄激活因子樣效應物核酸酶」（transcription activator-like (TAL) effector nucleases，TALENs）。

ZFN（a）和TALEN（b）與目標DNA結合示意圖。圖片來源：Doi: 10.1016/j.tibtech.2013.04.004

ZFNs和TALENs都由兩個部分融合組成，其中一部分認基因特別准但是不懂破壞，另一部分破壞力超群但是臉盲。人們本希望這樣的組合可以各取所長，成為出色的人造特務。但實際用起來，ZFN太傻不好使喚，TALENs既不夠狠又不夠准。雖然能湊活用，但常常令科學家吐血三升。

不行，還得換。

2003年，西班牙微生物學家弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica）給《自然》雜誌投了個論文，慘遭拒稿。後來這篇論文又相繼投遞給了《美國科學院院刊》《分子微生物學》以及《核酸研究》等一系列期刊，但也都遭到了冷落。

弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica），CRISPR系統第一個發現者。圖片來源：Roberto Ruiz/University of Alicante Image Workshop

原因無它，因為這個研究的結論實在是太奇怪了。

莫伊卡在論文中指出，細菌和古菌當中廣泛存在一種免疫機制，可以記住之前感染過它們的病毒的基因特徵，從而展開針對性的防禦，大有「同一個招式不能對聖鬥士用兩次」的意思。在當時人們的觀念中，這些單細胞的細菌、古菌何德何能有這種厲害的免疫系統？

直到2005年，莫伊卡的研究成果才被個比較一般的學術期刊《分子演化雜誌》所接收。從此以後，一個新的術語開始進入了人們的視野——「規律成簇間隔短迴文重複」（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），簡稱 CRISPR（讀作「克瑞斯破兒」）。[注1]

在隨後五六年里，CRISPR猶如一個吸引無數玩家參與的拼圖遊戲，一塊又一塊的拼圖碎片被世界各地的玩家拼接到位。終於在2011年，屬於CRISPR的最後一塊關鍵碎片被埃瑪紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanulle Charpentier）拼了上去。她的論文昭示了CRISPR作為基因編輯工具的實力——科學家們苦苦尋覓的那位「天然特務」，或許近在眼前了。

技驚四座的CRISPR

當時，全世界研究基因編輯（那陣子還叫遺傳工程）的專家正被用起來如砂石咯牙般的ZFNs和TALENs弄得苦不堪言，卡彭蒂耶的研究自然逃不過他們虎視眈眈的眼睛。不久之後，卡彭蒂耶就在美國微生物學學會上，遇到了那個後來為她帶來無數榮譽與爭議的人——詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）。

詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna），美國著名結構生物學家與基因編輯技術專家，與卡彭蒂耶共同開創了第一代CRISPR/Cas9技術。圖片來源：Mrl611/commons.wikimedia.org

杜德娜是加州大學伯克利分校的結構生物學教授，在此之前主要研究跟RNA有關的生物大分子結構。說起來，基因編輯只能算是她的「副業」，但是副業並不意味著業餘。杜德娜與卡彭蒂耶合作不到一年時間，就發表了一篇在基因編輯史上里程碑性質的論文。

在論文中，她們先是證明了一種擁有SpCas9蛋白的CRISPR系統（註：自然界不同細菌和古菌的CRISPR系統都有所不同）最適合作為基因編輯的工具，因此後來這套基因編輯工具又被稱為CRISPR/Cas9技術。之後，她們又用這套系統成功編輯了大腸桿菌的基因，結果表明CRISPR/Cas9比起之前的ZFN和TALENs高到不知道哪裡去。CRISPR進軍基因編輯領域的第一槍，就此漂亮打響。

而當杜德娜和卡彭蒂耶還在波多黎各談笑風生時，一位來自麻省理工學院的科學家也敏銳地意識到了CRISPR的光輝前景，他的名字，叫做張鋒。

張鋒，CRISPR/Cas9技術創始人之一，世界最一流的CRISPR/Cas9專家，基因編輯技術的集大成者。圖片來源：news.mit.edu

張鋒不是一般人。在哈佛讀本科期間，他師從於國際著名顯微成像大牛，差一點拿諾貝爾獎的庄小威。讀博時，他的導師是國際著名神經學技術大牛，長期掙扎著想拿諾貝爾獎的卡爾·戴塞爾羅斯。博士後時期，他工作在國際著名分子生物學大牛，准諾貝爾獎級研究者喬治·邱奇的實驗室。在麻省理工學院工作階段，他隔壁的實驗室則屬於一生多次與諾貝爾獎擦肩而過的魯道夫·耶內施。

從高中開始，張鋒已經接觸基因編輯領域。當杜德娜與卡彭蒂耶率先發表出她們的學術成果時，其他人可能因為痛失先機而發出一聲哀嚎，而張鋒卻一眼就看出了她們成果里那個小小瑕疵。

的確，CRISPR/Cas9是個好特工，但是杜德娜她們還沒有把這個特工訓練完全。對於細菌之類結構簡單，DNA缺乏保護的細胞，當時的特工或許可以勝任，但包括我們人類在內的各種動物的細胞有著層層膜結構，DNA可謂身居堡壘之中，而杜德娜她們開發的CRISPR/Cas9根本就無法「潛入」堡壘深處，連DNA的面都別想見著，根本是有力使不出來。

張鋒對CRISPR/Cas9做了幾處微小而巧妙的修飾，一舉解決了這個問題。在杜德娜的論文發表後半年左右，張鋒成了第一個用CRISPR/Cas9編輯哺乳動物細胞基因組的科學家。[注2]

可這下事情就比較微妙了，如果說杜德娜和卡彭蒂耶發現了一座金礦，那麼張鋒就相當於是最先找到了這個金礦中的金子。如果按照學術界誰先發現就歸誰的慣例，CRISPR/Cas9的發現，就成了一筆糊塗賬。

Cas9與引導RNA和目標DNA結合時的晶體結構示意圖。圖片來源：doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.001

名與利之歌：專利的遊戲

化敵為友總是首選。一開始，張鋒及其盟友希望能拉攏杜德娜等人，他們合夥開了家名叫Editas Medicine的公司，想著到時候專利共享，豈不美哉。可惜沒過多久，杜德娜等人就和張鋒等談判破裂，單飛出去辦了一家名為Intellia Therapeutics的公司。兩個陣營關於CRISPR/Cas9的專利之爭，擺上了檯面。

按理說，杜德娜和卡彭蒂耶發表論文在先，申請專利也比張鋒他們早得多，優勢很大。但這愣是被張鋒團隊一套組合拳給破功了。首先，張鋒團隊藉助一系列司法解釋把CRISPR的專利拆成了好幾十份，從法理上把「金子」和「金礦」的所有權分了開來，然後又花錢走了專利審核的「快速通道」，讓他們的專利比杜德娜的更早獲得通過。最後，他們還巧妙運用了美國時任總統奧巴馬的一些新政策，提出這個專利的有效性要基於「誰先完成研究」而非「誰先申請專利」，為此張鋒瞬間掏出了過去兩年的詳細實驗記錄，明明白白地記錄著他早在杜德娜的論文發表之前就已經走在了她的研究進度之前（同學們，知道記實驗記錄的重要性了吧！）。過了整整九個月，杜德娜團隊才整理出自己的實驗記錄來加以反駁。

2016年初，張鋒的上司，博德研究所所長埃里克·蘭德爾寫了一篇爭議巨大的綜述《CRISPR英雄譜》，把張鋒拔高到了無以復加的位置，而杜德娜則被歸進了為CRISPR基因編輯技術奠定基礎的芸芸眾生之中。那邊廂，張鋒果斷宣布對學術界開放CRISPR/Cas9基因編輯的專利，只要研究不是出於商業目的，就可以隨意免費地使用。不僅如此，他還把自己的研究資源（主要是質粒）放到公共庫中，免費分發於天下。這一舉贏得了整個學術界的支持。

更重要的是，張鋒團隊很快就把CRISPR/Cas9玩出了花——自2013年至今，張鋒發的論文之多足可用排山倒海來形容，隨便哪一篇開拓這一片科研新天地。自CRISPR/Cas9發明以來，其一半重大突破都出自張鋒之手，剩下的也多少用到了張鋒免費分發的科研資源，幾年下來，張鋒在基因編輯領域一哥的地位幾近無可撼動。2014年，美國專利商標局（USPTO)批准了張鋒所在的博德研究所的專利請求，來自加州大學的上訴也在2016年被悉數駁回。

不過杜德娜的團隊也不是吃素的。雖然博德研究所看似在美國全勝，可到了歐洲和中國等地，專利認證就站到了杜德娜一邊。除此以外，杜德娜和卡彭蒂耶還頻頻在各種高級學術獎項和學術峰會亮相，比如在2015年她倆就獲得了有豪華版諾獎之稱的「生命科學突破獎」。所以目前就世界範圍而言，兩撥人馬可謂勢均力敵。

神仙打架，技術得力

科學家們爭來爭去，其實也是因為CRISPR/Cas9造福於人的無限潛力。

作為定點破壞基因方面最強大也最便宜的「特務」，CRISPR/Cas9大大降低了修改基因，尤其是動物基因的成本與技術門檻。張鋒等人掀起的那一股編輯動物基因的風潮，正前所未有地席捲全球各地的實驗室。

現在，任何科學家想要研究一個動物基因，只需大手一揮：「給我把這個基因敲了！」「給我把那段DNA序列塞到這個基因里！」不消半年，就能「定製」一批基因修飾動物出來做研究。當年砸大錢問公司買動物模型的歷史，已經一去不復返。

中科院的科學家利用CRISPR/Cas9技術製作的基因敲除猴。在CRISPR/Cas9技術發明以前，製作基因敲除的靈長類幾乎是不可想像的事情。圖片來源：doi:10.1038/cr.2017.81

將CRISPR/Cas9用在醫療上的嘗試也已不鮮見。2014年，美國貝勒醫學院教授張普民和他的研究團隊通過CRISPR/Cas9製造出了能夠產生人類白蛋白的特種豬。2016年初，來自三個機構包括張鋒在內的多個研究組試圖利用CRISPR/Cas9系統來治療動物的一種名為「杜興氏肌肉萎縮症」的遺傳病，結果真的大大提高了它們的預期壽命和生活質量。而近期，喬治·邱奇的得意門生，張鋒的師妹楊璐菡所帶領的團隊也備受關註：他們試圖通過大規模基因編輯，讓豬產生適合移植給人類的器官。

這些案例都不過是冰山一角。隨著對CRISPR/Cas系統的理解越發深入，人們已經可以利用它執行更多類型的基因編輯任務。如果從前它只是一個基因剪貼板，那現在幾乎能稱得上是基因編輯界的瑞士軍刀了。CRISPR/Cas引爆了全方位的技術突破，毋庸置疑將生命科學帶來進了新紀元。

CRISPR會造出弗蘭肯斯坦的怪物嗎？

不過，CRISPR/Cas9再強大也終究是一種工具，而人類現在在遺傳學上畢竟道行尚淺，在某種意義上限制了工具的威能。就拿楊璐菡團隊的工作來說，為了讓豬長出可能適合移植到人類的器官，他們必須先清洗掉豬基因組當中的「內源性逆轉錄病毒」。

內源性逆轉錄病毒差不多就相當於已經被宿主「招安」了的病毒，兩者不再互相傷害，甚至有些時候病毒還能給宿主幫上點忙。可要是豬的器官被移植到了人身上，豬的內源性病毒就又有了潛在風險。為了規避這些風險，楊璐菡專門把CRISPR/Cas9系統設計成「內源性病毒專殺工具」，將其注入豬的細胞中一次性消滅其中所有潛藏的內源性病毒。同時處理62個位點，那是CRISPR做過目標最多的單次編輯任務。

這第一步很成功。不過既然要的是豬器官，那只有細胞可不夠——她得把這些豬細胞克隆成真豬。做這第二步，楊璐菡的團隊用了兩年時間，投入了龐大的財力人力才把他們所需要的豬給成功克隆出來。為啥這麼難，至今也沒人說得清楚。而如果真的要讓豬為人類提供器官，那麼除了這種內源性病毒以外需要改動的基因少說還有上百個，其中每一個都潛藏著無法預料的困難。CRISPR在基因組編輯層面的工作做得再出色，也需要在後續環節有成熟的技術跟進。

這也是為什麼大家並不需要擔心，科學家會由於對基因理解有限而不小心造個弗蘭肯斯坦的怪物出來。要做任何事，一件工具永遠是不夠的，我們需要的是一個「工具箱」，然而很多事情能不能做成，往往取決於工具箱里最差的工具。

另一個限制則來自科學共同體的審慎。它來自人們對於基因編輯倫理問題的爭論。這場爭論最核心的觀點，就是人類胚胎（以及生殖細胞）的基因是否可以編輯——畢竟這種對基因的改變是會一代一代遺傳下去的。在現階段，涉及基因組編輯的人類胚胎都在倫理委員會的監管下，確保不能發育成活人出生。

（註：本文寫作於2017年12月。2018年11月，據人民網報道，南方科技大學生物系副教授賀建奎宣布，一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒於11月在中國健康誕生。）

基因編輯的故事，到這裡也就暫時告一段落。對於這個生命科學領域最尖端的科技，人們憧憬著，可能也惶恐著。而技術終究有自己的發展規律，不為堯存，不為桀亡。CRISPR和它的後繼者們究竟能給基因編輯的故事續上怎樣的下一章？技術的研發者之間又能擦出怎樣令人喜聞樂見的火花？我們不妨擦亮雙眼等著看。

注釋：

注1：CRISPR這個名詞並非莫伊卡提出，不過在此之前人們並不知道這些東西有何意義，所以起了個就事論事描述性的名字。

注2：確切地說，這個「第一」需要和喬治·邱奇共享，因為他倆同時發表了這方面的論文，不過一般認為喬治·邱奇該論文的政治意義大於學術意義，所以在此暫不贅述。

參考文獻

[1] Lander, Eric S. The Heroes of CRISPR. Cell. 2016. Volume 164 , Issue 1 , 18 – 28

[2] Capecchi, M.R. Gene targeting in mice: functional analysis of the mammalian genome for the twenty-first century. Nat. Rev. Genet. 2005; 6: 507–512

[3] Charpentier, Emmanuelle, and Jennifer A. Doudna. Biotechnology: Rewriting a genome. Nature. 2013. 495.7439 50-51

[4] Lander, Eric S. "The heroes of CRISPR." Cell 164.1 (2016): 18-28.

[5] Luhan Yang. et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science. 2015. DOI: 10.1126/science.aad1191

[6] Niu D. et al. Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9. Science. 2017. Sep 22;357(6357):1303-1307. doi: 10.1126/science.aan4187.

[7] Nelson et al. In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Science DOI: 10.1126/science.aad5143

[8] Long et al. Postnatal genome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy. Science DOI: 10.1126/science.aad5725

[9] Tabebordbar et al. In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle and muscle stem cells. Science DOI: 10.1126/science.aad5177

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