1 月 31 日消息,據 Futurism 報道,在過去幾年里,CRISPR 始終占據著媒體頭條。專家預測,這種基因編輯技術將改變地球,改變我們生活的社會甚至是周圍的生物。與其他用于基因工程的工具相比,CRISPR(也被稱為 CRISPR-Cas9)更精確、廉價、易于使用,而且功能非常強大。

CRISPR 是在 20 世紀 90 年代初被發現的,并在 7 年后首次用于生化實驗,此后迅速成為人類生物學、農業和微生物學等領域研究人員中最流行的基因編輯工具。科學家們還處于探索如何利用 CRISPR 來改變世界的早期階段。當然,改變 DNA(生命本身源代碼)的能力也帶來了許多倫理問題和擔憂。有鑒于此,這里有些這種革命性技術最令人興奮的應用,以及可能減緩或阻止其發揮其全部潛力的障礙。

1.CRISPR 可以糾正導致疾病的基因錯誤

肥厚性心肌病 (HCM) 是一種心臟疾病,在全世界每 500 人中大約就有 1 人患病。這種疾病發作時令人感到痛苦不堪,而且常常是致命的。有些顯性基因突變會導致心臟組織變硬,這可能導致胸痛、虛弱,更嚴重時甚至會出現心臟驟停。得益于最近的醫學進步,HCM 患者的平均預期壽命接近普通人,但如果不及時治療,會導致危及生命的情況。

但在將來,我們也許可以通過基因編輯來徹底治愈這種疾病。在 2017 年夏天,美國俄勒岡健康與科學大學的科學家們用 CRISPR 刪除了人類胚胎中的一個缺陷基因。結果是令人興奮的:在受精后 18 個小時內采用 CRISPR-Cas9 技術的 54 個胚胎中,有 36 個沒有顯示基因突變 (幾乎沒有發展出這種疾病的機會) 跡象,而 13 個胚胎只是部分突變 (遺傳 HCM 的幾率為 50%)。

非目標基因突變和嵌合體 (只少數細胞發生變化,這意味著小部分人會遺傳變異) 只存在于 54 個胚胎中的 13 個身上。為了進一步減少部分細胞被改變的可能性,研究人員進行了另一項實驗,他們在受精時直接對胚胎中相同的基因進行了校正。他們發現,只有一個胚胎存在非目標基因突變和嵌合體。這是一個令人印象深刻的結果,使得這項研究比類似的研究更有效率。

這項研究的第一作者、俄勒岡健康與科學大學研究員肖克拉特·米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)在新聞發布會上說:“通過使用這項技術,我們有可能減輕這種遺傳性疾病對家庭乃至整個人類的負擔。”在胚胎發育的早期階段捕捉突變,可以減少甚至消除病人生命后期的治療需求。

盡管有些干細胞科學家質疑這幾十種突變是否真的被修復,但這項研究的確幫助科學家更好地理解 CRISPR 的功效。此外,HCM 研究的共同作者之一已經表示,有興趣將同樣的技術應用于增加乳腺癌風險的特定基因突變 (BRCA1 和 brca2) 上。

這就是說,科學家們知道改變人類胚胎的遺傳密碼可能會產生意想不到的后果。如果 CRISPR 在錯誤的地方做出改變,無意中改變或移除健康的基因該怎么辦? 這對病人有什么影響? 在世界上有些地方,科學家們可以在很大程度上不受束縛地對人類胚胎進行實驗。但在美國、加拿大或英國,情況并非如此。

在美國,食品和藥物管理局 (FDA) 目前不考慮利用公共資金來研究那些可以遺傳的基因 (俄勒岡州研究人員的研究并不是為了植入而進行,且研究是由私人資助的)。在加拿大,編輯可以傳給后代的基因是一種犯罪行為,最高刑罰為 10 年監禁。與此同時,英國人類受精與胚胎管理局于 2016 年授權倫敦的一個科學家團隊,允許他們編輯人類胚胎基因。英國科學家希望這將開創先例,并為未來的應用打開大門。

2.CRISPR 可以消除導致疾病的微生物

盡管艾滋病的治療已經將病毒從致命殺手變成了健康威脅,但科學家們還沒有找到治愈方法。這種情況可能會隨著 CRISPR 技術的進步而改變。在 2017 年,中國研究團隊通過復制一種有效阻止病毒進入細胞的基因突變,成功地增強了老鼠對艾滋病病毒的抵抗力。目前,科學家只是在動物身上進行這些實驗,但有理由認為同樣的方法也適用于人類。艾滋病毒的耐藥性突變發生在一小部分人身上。通過使用 CRISPR 將突變引入人類干細胞,研究人員可以在未來顯著增強人類對艾滋病的抵抗力。

另一項在中國進行的基因編輯試驗將于 2018 年 7 月份開始,科學家們將嘗試使用 CRISPR 來破壞人類乳頭瘤病毒 (HPV) 基因。這種病毒已被證明會導致宮頸癌腫瘤生長。

在一種稍顯不同的方法中,北卡羅來納州的科學家使用 CRISPR 來設計噬菌體,即能在細菌內感染并復制自身的病毒,以達到殺死有害細菌的目的。自 20 世紀 20 年代以來,噬菌體已經被用于臨床試驗中來治療細菌感染。但是,從自然中收獲它們是非常困難的,因為當時缺乏了解,導致結果無法預測,而且抗生素市場的不斷增長使得噬菌體的使用變得不受歡迎。甚至在今天,依然有些研究人員擔心,大量的噬菌體浸入會引發免疫反應,或導致耐抗生素細菌對噬菌體產生抗藥性。

盡管人體試驗尚未開始,但研究人員對使用 CRISPR 來設計噬菌體持樂觀態度,因為它們是一種經過驗證的、安全的治療細菌感染方法。事實上,在 2017 年的一項試驗中,研究人員使用 CRISPR 改造的噬菌體拯救了被耐抗生素細菌感染的老鼠生命。

3.CRISPR 可以復活滅絕物種

2017 年 2 月份,哈佛大學遺傳學家喬治·徹奇(George Church)在美國科學促進協會(AAAS)年會上發表了一項令人驚訝的聲明。他聲稱自己的團隊可在 2 年內培育出大象 - 猛犸象雜交胚胎。徹奇希望復活長毛猛犸象能夠控制全球變暖,他說:“猛犸象可幫助凍土帶從雪中解凍,讓冷空氣釋放出來。”

徹奇和他的團隊希望利用 CRISPR 將亞洲象 (可能被拯救的瀕危物種) 和長毛猛犸象的遺傳物質結合起來。后者的樣本是從西伯利亞發現的冷凍猛犸象 DNA 中提取的。通過將猛犸象的基因組添加到亞洲象中,最終的生物體將具有長毛象的共同特征,如長毛,在寒冷的氣候條件下可以作為保溫材料。據《新科學家》雜志報道,最終的目標是將這種雜交胚胎植入大象體內,并使其完整生長。

這項工作的前景十分喜人,但是很多專家認為徹奇的時間表有點過于樂觀了。即使研究人員培育出混合胚胎,但在人造子宮內生長將是另一個需要克服的障礙。當然,徹奇的實驗室已經有能力利用人工子宮培育出小鼠胚胎。但這并不能保證我們將在未來幾年見證長毛猛犸象的誕生。

4.CRISPR 可以創造更健康的新食物

CRISPR 基因編輯技術在農業研究領域已被證明非常有前途,來自紐約冷泉港實驗室的科學家利用該工具提高番茄產量。這家實驗室開發了一種方法來編輯決定番茄大小、分枝結構的基因,并最終決定植株的形狀,以獲得更多收獲。首席研究員、冷泉港實驗室的 Zachary Lippman 教授在新聞發布會上說:“現在,每個特征都可以像電燈開關那樣控制。我們現在可以使用原生 DNA,增強自然提供的東西,我們相信這能幫助打破產量障礙。”

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為了滿足饑餓世界的需求,高產作物只是一個開始,科學家們希望 CRISPR 也能幫助轉基因作物擺脫污名。2016 年,農業科技公司 DuPont Pioneer 發布了一種新品種的玉米,因為研究人員改變了它的基因,因此從技術上講,它不是轉基因作物。

轉基因作物和基因編輯作物的區別相當簡單。傳統的轉基因作物是通過將外來的 DNA 序列插入作物的基因組中,將性狀或特性傳給未來的有機體。而基因編輯比這種方法更精確:它對作物自身基因組中特定位置的基因進行精確的改變,經常破壞某些基因或改變它們的位置,這些都不涉及引入外來 DNA。

雖然轉基因作物繼續在消費者中存在爭議,但 DuPont Pioneer 等公司希望基因編輯食品更被更好地接受。轉基因食物在美國市場上已經存在幾十年,科學家們沒有發現任何健康風險,盡管轉基因作物的最大支持者也承認,科學家們仍然不知道所有的長期風險。CRISPR 編輯的作物也是如此。當然,科學家們將繼續測試和評估這些作物,以確保沒有意料之外的副作用,但這項技術的初期工作效果非常好。最終,CRISPR 編輯作物可能會淹沒全球市場。

DuPont Pioneer 公司希望到 2020 年將其“蠟質”基因編輯玉米推向美國市場。經過基因編輯的蘑菇已經繞過了美國農業部的規定,因為它不含有來自病毒或細菌的外來 DNA,成為第一個獲得批準 CRISPR 編輯作物。瑞典已經宣布將對與轉基因作物不同的 CRISPR 編輯基因作物進行分類和管理,但歐盟委員會尚未決定其立場。

5.CRISPR 可根除地球上最危險的害蟲

像 CRISPR 這樣的基因編輯技術可以直接對抗傳染性疾病,但是有些研究人員已經決定通過消除傳播途徑來減緩疾病的傳播。加州大學河濱分校的科學家們培育出一種蚊子,這種蚊子對 CRISPR 的變化特別敏感,這讓科學家們史無前例地控制了該生物傳給后代的特征。其結果是:通過改變負責眼睛、翅膀和角質層發育的基因,創造出黃色、三眼、無翼蚊子。

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通過干擾蚊子基因中多個位置的目標基因,研究小組正在測試一種“基因驅動”系統來傳播這些抑制特性。基因驅動是一種確保遺傳性狀遺傳下去的方法。通過削弱蚊子的飛行能力和視力,河濱團隊希望大大降低它在人類中傳播危險傳染病的能力,例如登革熱和黃熱病。

其他研究人員通過干擾蚊子的繁殖方式來消滅蚊子。倫敦帝國理工學院的研究人員曾使用 CRISPR 來研究攜帶瘧疾的蚊子的雌性繁殖方式,通過基因驅動系統來影響雌性不育的特性,從而令其更容易被遺傳下去。

但是干擾蚊子的數量可能會帶來無法預料的后果。消滅一個物種,即使是一個看起來沒有多少生態價值的物種,也會破壞生態系統的謹慎平衡。這可能會帶來災難性的后果,比如破壞食物網或增加瘧疾等疾病可能由不同物種傳播的風險。

CRISPR 的未來

目前的科學進步表明,CRISPR 不僅是一種用途極其廣泛的技術,它也被證明是精確的,而且使用越來越安全。但它仍有很多進步空間,我們才剛剛開始看到像 CRISPR-Cas9 這樣的基因組編輯工具的全部潛力。在我們用基因編輯食物滿足人類需求、消滅遺傳疾病或者讓滅絕物種復活的過程中,技術和倫理障礙仍然存在,但我們依然要按照這個方向前進。