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美国科学家后来居上,基因编辑领域再掀风云

《麻省理工技术评论》在2017年7月26日报道称,来自俄勒冈健康科学大学的生物学家舒克拉特·米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)的团队,使用CRISPR基因编辑技术改变了数十个单细胞胚胎的DNA。

要了解基因编辑,首先你得知道什么是基因。

我们的身体,就像是一个由很多细胞组成的王国;而在每一个细胞里,又有很多携带着遗传信息的小纸条,它们就是DNA。

在这个DNA上,有一些叫做基因的片段。它们决定了你有棕色的眼睛,黑色的头发,黄色的皮肤,也规定了你身上的每一种细胞负责干什么。

可以说,基因,就像是人体的代码。有了这组漂亮的代码,我们人体这个复杂的程序,才能跑得起来。

在20世纪70年代以前,人们从来没有想过,这串复杂的源代码,也就是基因,竟然还可以被人为地改变;人们也从来没有尝试过,用改变基因的方法,来治疗血友病、色盲、肌肉萎缩症等基因病。

但现在,这种局面正在悄然地发生改变——

科学家们已经可以像用剪刀剪开小纸条一样,通过删除一小段DNA,或加入一小段DNA等方式,来改变人或其他生物体的基因。这就是所谓的基因编辑。

目前为止,科学家们发现的最先进的基因编辑机制之一,叫做CRISPR。

这个CRISPR,听起来很黑科技的样子,但其实,这种神奇的系统,在某些细菌的免疫系统中,本来就天然存在着——

当细菌们遇到病毒入侵的时候,它们的体内会被注入病毒的DNA。这对细菌来说是致命的。因此,一旦被入侵,细菌就会想尽办法消灭敌人。

细菌们会像电影里的特工一样,快速地在自己的数据库中识别出通缉犯——也就是病毒的DNA,并把这个通缉犯的信息输入到一个导航系统里;

同时,细菌还会派出一位杀手:一个胖胖的蛋白质(Cas9),让它在第一时间,带着导航去抓通缉犯,并把通缉犯,也就是病毒的DNA,无情地一刀剪断。

这样,细菌的小命就保住了。这就是CRISPR系统在自然界的工作原理。

现在我们回到人类文明中。通过操纵CRISPR这把基因剪刀,科学家们,不仅可以对基因进行人为的剪切或修改;而且还可以极其精准地改造任意一段基因。

比如这种小老鼠,只要对它7号染色体上的一个基因(Tyr)做一点小小的改变,本来应该是黑色的小老鼠,就会长出白色的毛来;

通过改造一种蚊子的基因,科学家们可以有效抑制疟疾的传播;此外,还可以对植物的基因进行改造,改良品种,提高产量。

 

基因编辑的发展过程

基因编辑技术最初是在人类的体细胞上展开的,已经有近40年的历史。但直到CRISPR这把编辑基因的“魔术剪刀”出现,才将人类带向似乎接近“造物主”的角色——根据需要对物种进行改造。

在基因编辑领域,反而是中国科学家走在了领域的前列,由于美国法律的规定,美国科学家之前无法开展基因编辑方面的研究。

两年前,中山大学35岁的副教授黄军就在国际生物学界掀起一场伦理规范的“史诗”般的讨论。黄军就团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,试图在胚胎中改变一个特定基因的突变,让有家族病史的新生儿避免患β地中海贫血这种遗传疾病。

转机出现在今年2月,美国国家科学院生成了关于CRISPR研究工作的首份指导方针报告。报告指出,科学家只能出于防止婴儿患上严重的遗传性疾病考虑,才可以对胚胎基因进行编辑,而且还有严格的前提条件,如医生要符合特定的安全和道德要求;婴儿的父母除此之外,也没有其他选择。

相比于中国同行,米塔利波夫领衔的这项研究,在实验胚胎的数量上更占优势。据称,其重要进展是,它验证了基因缺陷导致的遗传性疾病,可以通过基因编辑手段进行纠正,并且是高效、安全的。

 

基因编辑面临的问题

米塔利波夫和黄军就所使用的CRISPR技术,于2013年在美国刚一问世,即成为最热门的研究领域。它允许科研人员准确地切掉选择的基因,插入新的基因;而且操作如此简单,任何一个有基本分子生物学背景的学生都能在很短时间内学会并操作。

不过,这一技术有两块“拦路石”:基因嵌合现象和脱靶效应。

基因嵌合现象,是指在基因编辑过程中,会导致一部分编辑错误,并且在一个胚胎中仅有部分细胞被编辑,这样没有经过编辑的细胞,仍然可能出现病变,导致不可预测的后果。

而脱靶效应,是指在应用CRISPR技术时,会有一定的几率殃及到目标之外的基因。

除了技术上面临的难题以外,更有社会伦理道德上巨大的争议,而从目前看,这是基因编辑技术现在面临的最大问题。

从首例人类胚胎基因编辑开始,这一研究一直伴随着巨大的争议:如果人类胚胎基因可以被科学家编辑,那么会不会出现“设计”婴儿,就是满足父母们期望的拥有“更聪明”“更健康”“更漂亮”基因的孩子?

但是基因编辑技术在医学领域所拥有的意义却又是巨大的,对于一些遗传性疾病具有很大的治疗研究意义。

令人庆幸的是,经过许多年的讨论后,大多数科学家和生命伦理学家一致同意,基因编辑研究存在伦理上的优先次序,依次是:治疗性体细胞基因编辑、治疗性生殖系基因编辑、增强性体细胞基因编辑、增强性生殖系基因编辑。

简单来说,体细胞基因治疗的临床研究,是可以得到伦理学辩护的,因为体细胞的基因编辑是不能遗传的,因此这方面不存在问题和争议。邱仁宗介绍,体细胞基因治疗有些已经进入II期和III期临床试验,有些被批准临床应用。

而包括人类胚胎和生殖细胞在内的生殖系基因编辑,是可遗传给后代的,因此相关研究争议巨大。

其中,由于生殖系细胞基因编辑存在太多不确定、未知的因素,现有的成本和效益分析、风险评估等方法也不适用,学术界对它实行“有罪推定”的政策,即在支持者有责任提供不会对后代造成严重伤害的证据后,方可进行临床研究。

至于增强性的基因编辑,是一个众所周知的“红色禁区”。基因编辑不能用于非医学目的、改善非病理性性状的研究,比如编辑出一个携带高智商基因的婴儿。

目前,美国国家科学院咨询委员会对此态度明确,不管是体细胞还是生殖系的基因增强,都排除在研究以外,这也符合公众的态度。

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