CRISPR基因技術爭議大，如何治療疾病改良作物？革命性改變

很多年來生物學家想研發一種抗旱的玉米植物，然而可選方式卻非常有限，通常生物學家會選用三種方法。可以選擇選擇性育種；嘗試用輻射轟擊種子，期望引起有利的變化；或者選擇完全插入來自另一個生物體的DNA片段。 但是這些方法冗長，不精確或者代價昂貴，有時會同時應用這三種方法。然而選擇CRISPR，這種小分子的製造方式既精確又便宜，它可以被編程，改寫有機體的特定基因DNA。

廉價、相對容易的基因編輯技術的發展開啟了一系列新的科學的可能性。在美國，利用CRISPR編輯的長壽命蘑菇已經得到了有關部門的批准，而其他地方的研究人員則在考慮利用CRISPR製作辣味西紅柿和桃味草莓。

與此同時這項改變遊戲規則的技術可能會對人類健康產生最大的影響。如果我們能夠編輯掉導致遺傳疾病的麻煩突變，那麼就可以徹底消滅那些疑難雜症，但是人類基因編輯的道路上充滿了爭議和艱難的倫理困境。

關於驅動基因編輯革命的這項技術，它很複雜並且時常引起爭議，下面是您需要了解的一些科普常識。

CRISPR是什麼？

CRISPR是防禦病毒入侵的一種進化方式。每當它們面對一種新病毒時，細菌就會從該病毒的基因組中捕獲DNA片段，並複製出一個副本，儲存在自己的DNA中。

生物學家收集了一組暴露在病毒下的的序列，這些細菌本質上講在它們的基因組中攜帶了一個小文庫。用圖書館比喻他們很形象，病毒DNA片段就像一本小書, 每一段都包含了數據，這些數據可以讓細菌在下一次入侵時識別並迅速殺死病毒。在這些有用的DNA片段之間，還存在一些不太有用的重複DNA片段，就像一種分子書籤一樣將有用的DNA片段分開。

在一些細菌基因組中存在一系列成簇排列的重複DNA序列，被稱作「規律間隔成簇短迴文重複序列」，簡稱CRISPR, 但正是這些重複之間的片段讓CRISPR如此有用。它們在某種程度上是無用的，我們稱之為間隔，每一個都包含了細菌(或其祖先)在過去遇到的病毒DNA的參考記錄。當一種以前從未見過的病毒攻擊這種細菌時，它會在之前的攻擊庫中添加另一個間隔。

當來自同一物種的病毒再次攻擊時，與該病毒基因組相對應的間隔就會開始起作用。這有點像我們之前的流感疫苗，人類的免疫系統就能識別流感病毒。間隔序列被轉化為RNA，一種包含DNA信息的分子並追蹤相應的病毒DNA片段。它能夠和細菌產生的被稱為Cas的一類蛋白質形成複合體，對Cas蛋白起到導向作用。當複合體檢測到入侵的DNA和gRNA序列一致時，附著在RNA鏈上的Cas蛋白就像一把生物剪刀，剪斷目標DNA，使病毒變得無害。

它是如何工作的？

當然，所有這些機制只在你是細菌的時候才有用，那麼我們如何將一種抗病毒防禦機制轉變成一種可以讓我們自由編輯人類基因組的機制呢?

科學家們已經在實驗室里研究出了如何製造屬於他們的版本的CRISPR分子，而不是依靠細菌來為他們製造分子。首先，他們需要找到他們想要定位的DNA片段。對於鐮狀細胞貧血症，它是由單個基因的缺陷引起的，這相對來說比較容易，因為我們已經對導致這種疾病的基因進行了測序，所以我們確切地知道我們想要針對的遺傳密碼。

在我們開始解壓縮和切割DNA之前，有必要先掌握DNA結構的基本知識。熟悉的DNA雙螺旋結構由四種不同的含氮鹼基組成:腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)。 我們眼睛的顏色、我們可能長多高、我們是否易患某些疾病，這些都在我們的遺傳密碼中以鹼基對的形式表現出來了。像拉鏈上的齒牙一樣，這些氮基總是與它們的互補氮基配對。 A總是與T配對，而G總是與C配對，它們反覆發生，直到構成人類基因組的30億個鹼基對。

但是DNA被鎖在雙螺旋結構中沒有多大用處。它需要把這些信息帶到細胞中，在那裡它可以用來製造蛋白質，而蛋白質是我們身體中幾乎所有東西的基本組成部分。為了做到這一點，DNA解開自己的拉鏈，分解這些鹼基對，直到它們在細胞中四處擺動。這些搖擺運動，瞬間未配對的鹼基對與包含它們自己鹼基的RNA短片段配對。

科學家們利用這些基本原理創造了他們自己的CRISPR分子，正如我們上面指出的，它們是RNA的短鏈。你所需要做的就是打開一段有趣的DNA片段，就像含有導致鐮狀細胞貧血的突變的那一小段，然後構建一個附加DNA切酶的互補RNA序列。這有點像從拉鏈的一邊開始，然後使用它來構建拉鏈的相應但相對的一側，讓兩邊巧妙地咬合。

一旦你有了CRISPR分子，你就需要它們來捕獲你的目標細胞。幸運的是，病毒最喜歡的就是向其他細胞注入物質，因此將CRISPR分子注入良性病毒是將CRISPR引入細胞的一種特別有用的方式，這種方法已經在許多涉及老鼠的研究中得到了應用。

現在CRISPR-Cas9可以真正開始工作了。 Cas9酶首先解開小塊的DNA雙螺旋結構，而RNA分子沿著暴露的鹼基對嗅探它尋找完美的匹配。一旦發現完美匹配，Cas9會在修復剩餘的DNA片段之前切斷麻煩的基因。其他酶可以插入基因而不是刪除它們，但不同CRISPR分子的解壓縮、識別和編輯的基本過程是相同的。

CRISPR可以應用在哪裡？

CRISPR對農業行業尤其有吸引力，農業行業一直在尋找一種方法來培育抗病和耐候性強的作物，從而提高產量、提高利潤率。2015年10月，美國賓夕法尼亞州立大學的植物生物學家向美國農業部監管機構提交了一份經過基因編輯的紐扣菇，這種蘑菇的褐化速度比普通蘑菇慢得多。

一年後美國農業部證實，種植和銷售同樣的蘑菇，無需通過該機構對轉基因食品的監管程序。當然非褐變蘑菇並不是最令人興奮的食物，但美國農業部的這一決定意義重大，因為它暗示著，經過CRISPR編輯的作物可能能夠迴避有關針對轉基因作物的強烈反對。

不只是蘑菇採用了CRISPR。在澳大利亞，一名科學家已經用CRISPR培育出了香蕉，使其能夠抵抗一種致命真菌的侵襲。這種真菌可能會導致全球香蕉產量大幅下降。之前有新聞報道，如果不加以抵制真菌侵襲，未來香蕉可能從地球上消失。

儘管農業領域提供了CRISPR的一些最新應用實例，但涉及人類健康的風險要高得多。動物研究已經開始使用CRISPR來治療鐮狀細胞貧血和血友病，CRISPR對於治療這兩種疾病很有希望，因為它們是由相對較少的突變決定的。在鐮狀細胞貧血的病例中，這種情況僅僅是由一個基因中單個鹼基對的突變引起的。

CRSPR的爭議是什麼？

生物倫理學家莎拉·陳表示，科學家普遍認為CRISPR尚未做好臨床應用的準備，在此之前要解決其中的不確定性。生物學家醫學家要竭力理解其中的風險，還有很多工作要做。如果我們想改變一個人的整個基因組，只需要在他們只是一小群細胞的時候編輯他們的DNA。這會導致各種各樣的倫理問題。

舉例來說，如果我們能夠改變胚胎的DNA，使其有可能更健康、更聰明或更漂亮，那麼我們是否一定要阻止識別和消滅遺傳疾病呢? 如果我們想要改變人類未來的壽命，或者智力，或者老年痴呆症的可能性，科學家可以提供革命性的方法，但是誰能決定人類是否可以做這樣的改變嗎？

而在農業方面，同樣事情並沒有變得暢通無阻。2018年7月，歐洲法院(European Court of Justice)對基因編輯作物的未來提出了質疑，它證實，基因編輯作物同樣受到現有限制轉基因作物種植和銷售的法規的管轄。轉基因作物，通常是將一種生物的基因植入另一種生物的基因中，在歐洲長期處於次要地位，儘管它們在世界其他地區很受歡迎。科學界許多人士認為轉基因食品是可以安全食用的，但媒體對「基因食品」的警告以及環保組織的遊說，目前轉基因作物距離人類的普遍消費還很遠。

CRISPR的農業倡導者希望，新的基因編輯技術將提供一個糾正這種平衡的機會。歐洲法院的裁決意味著，任何在歐盟種植或銷售的經CRISPR編輯的食品，必須通過未經編輯的作物(或使用輻射突變等特定技術製成的作物)不必面對的嚴格安全測試。

至少就目前而言，革命性的CRISPR技術的應用還面臨著很多障礙。

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