美國舊金山格萊斯頓研究所遺傳學(xué)家Bruce Conklin一直試圖找到DNA變異如何影響不同的人類(lèi)疾病，但使用的工具有些笨重。當他研究來(lái)自病人的細胞時(shí)，很難知道哪個(gè)序列對疾病來(lái)說(shuō)很重要，哪些只是背景噪音。同時(shí)，將突變植入細胞是一項昂貴且費力的工作。

2012年，他通過(guò)閱讀了解到一項最新發(fā)表的、被稱(chēng)為CRISPR的技術(shù)。它能使研究人員快速改變幾乎任何生物體的DNA，包括人類(lèi)。此后不久，Conklin放棄了此前為疾病建立模型的方法，轉而采用這項新技術(shù)。目前，他的實(shí)驗室正在狂熱地改變同各種心臟疾病相關(guān)的基因。“CRISPR正帶來(lái)翻天覆地的變化。”Conklin說(shuō)。

這種情感被廣泛共享：CRISPR正在生物醫學(xué)研究領(lǐng)域引起一場(chǎng)巨變。不像其他基因編輯手段，它使用起來(lái)廉價(jià)、迅速且簡(jiǎn)單，并因此席卷全球實(shí)驗室。研究人員希望利用它調整人類(lèi)基因以消除疾病，創(chuàng )造生命力更加頑強的植物，并且消滅病原體。“自從事科研以來(lái)，我經(jīng)歷過(guò)兩次大的發(fā)展。”康奈爾大學(xué)遺傳學(xué)家John Schimenti表示，像在1985年被發(fā)明后使基因工程領(lǐng)域發(fā)生革命性變化的基因擴增方法——PCR一樣，“CRISPR正通過(guò)如此多的方式影響生命科學(xué)”。

不過(guò)，盡管CRISPR前途大好，但一些科學(xué)家擔心，這個(gè)領(lǐng)域極快的發(fā)展步伐幾乎沒(méi)有為解決類(lèi)似試驗可能引發(fā)的倫理和安全問(wèn)題留出時(shí)間。當今年4月關(guān)于科學(xué)家利用CRISPR改造人類(lèi)胚胎的新聞曝出時(shí)，該問(wèn)題被推到了聚光燈下。雖然他們使用的胚胎無(wú)法使嬰兒安全出生，但這項報道引發(fā)了關(guān)于是否以及如何使用CRISPR使人類(lèi)基因組產(chǎn)生可遺傳的變化的激烈爭辯。同時(shí)，還有其他的顧慮存在。比如，一些科學(xué)家擔心，接受過(guò)基因編輯的生物體會(huì )擾亂整個(gè)生態(tài)系統。

引發(fā)研究革命

長(cháng)久以來(lái)，生物學(xué)家一直在利用分子工具編輯基因組。大約10年前，他們因一種有望精確且高效地編輯基因、被稱(chēng)為鋅指核酸酶的酶而興奮不已。不過(guò)，馬薩諸塞州布蘭迪斯大學(xué)分子生物學(xué)家James Haber表示，需要花費5000多美元才能訂購到的鋅指并未被普遍采用，因為它們很難進(jìn)行基因改造且花費頗高。CRISPR卻大不相同：它依靠一種利用引導性RNA分子將其導向目標DNA、被稱(chēng)為Cas9的酶，然后編輯DNA以擾亂基因或插入想要的序列。通常，研究人員需要訂購的只是RNA片段，其他成分都是現成的。全部花費只有30美元。“這使得該技術(shù)走向大眾化，因此每個(gè)人都在使用它。”Haber說(shuō)，這的確是一場(chǎng)巨大的革命。

CRISPR方法正快速超越鋅指核酸酶和其他編輯工具。對一些研究人員來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)要放棄曾花費數年來(lái)完善的技術(shù)。“我很郁悶。”英國韋爾科姆基金會(huì )桑格學(xué)院研究所遺傳學(xué)家Bill Skarnes說(shuō)，“但又很興奮。”Skarnes在自己職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都在使用上世紀80年代引入的一項技術(shù)：將DNA插入胚胎干細胞，然后利用這些細胞產(chǎn)生轉基因小鼠。這項技術(shù)變成實(shí)驗室的主力，但同時(shí)耗費時(shí)間且非常昂貴。CRISPR所需時(shí)間很少，因此Skarnes在兩年前采用了這項技術(shù)。

研究人員傳統上嚴重依賴(lài)諸如小鼠、果蠅等模式生物。目前，CRISPR使在更多生物體中編輯基因成為可能。例如，今年4月，馬薩諸塞州懷特海德生物醫學(xué)研究所研究人員的報告稱(chēng)，利用CRISPR研究了白色念珠菌。這是一種在免疫系統減弱的人群中尤其具有致死性但一直很難在實(shí)驗室中進(jìn)行基因操控的真菌。來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的CRISPR技術(shù)先驅Jennifer Doudna正在記錄被CRISPR改變的生物清單。截至目前，她已擁有近40個(gè)條目，包括致病寄生蟲(chóng)——錐體蟲(chóng)和被用來(lái)制造生物燃料的酵母菌。

然而，快速的進(jìn)步有著(zhù)自身的弊端。“人們根本沒(méi)有時(shí)間描述這個(gè)系統中一些最基本參數的特征。”加州大學(xué)舊金山分校生物物理學(xué)家Bo Huang說(shuō)，“現在有這樣一種心態(tài)，即只要它能發(fā)揮作用，我們就不需要理解它是如何以及為何發(fā)揮作用的。”這意味著(zhù)研究人員偶爾會(huì )遇到故障。Huang和他的實(shí)驗室?jiàn)^斗了兩個(gè)月，使CRISPR適用于成像研究。他懷疑，如果對如何使引導性RNA的設計最優(yōu)化了解得更多，耽擱的時(shí)間會(huì )更少。

獲得廣泛應用

去年，麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一個(gè)同人類(lèi)代謝性疾病相關(guān)的突變tyrosinaemia。這是首次利用CRISPR在成年動(dòng)物體內修正致病突變，并且是將該項技術(shù)用于人類(lèi)基因療法的一個(gè)重大進(jìn)步。

在科學(xué)和生物技術(shù)圈，CRISPR能加快基因治療領(lǐng)域發(fā)展的想法是一個(gè)主要的興奮點(diǎn)。不過(guò)，在凸顯潛力的同時(shí)，Anderson的研究還展現了真正應用這項技術(shù)還有多遠的路要走。為將Cas9酶和其引導性RNA送入目標器官——肝臟，該研究團隊不得不用泵將通常被認為在人體內不宜存在的大量流體送入血管。試驗僅在0.4%的細胞中修正了致病突變，而這并不足以對很多疾病產(chǎn)生影響。

過(guò)去兩年里，一些公司如雨后春筍般出現，開(kāi)發(fā)基于CRISPR的基因療法。Anderson和其他人表示，此類(lèi)療法的首次臨床試驗會(huì )在接下來(lái)的一到兩年內進(jìn)行。這些首批試驗或許將勾勒出CRISPR的應用場(chǎng)景，即CRISPR成分能被直接注入眼睛等器官，或者細胞能從人體移除并在實(shí)驗室中進(jìn)行基因改造后被放回體內。例如，形成血液的干細胞可能被修正用于治療諸如鐮狀細胞性貧血癥或β-地中海貧血等疾病。雖然將酶和引導性RNA送入很多其他組織將是一項更大的挑戰，但研究人員希望有一天這項技術(shù)能被用于解決更廣范的遺傳疾病。

在A(yíng)nderson和其他人正在瞄準修正人類(lèi)細胞內的DNA時(shí)，一些人將目光投向了農作物和牲畜。在基因編輯技術(shù)出現前，這往往是通過(guò)將基因插入基因組中隨意位置實(shí)現的，連同基因一起的還有來(lái)自細菌、病毒或其他物種驅動(dòng)基因表達的序列。不過(guò)，這個(gè)過(guò)程效率很低，并且總是成為討厭來(lái)自不同物種的DNA混合在一起或擔心這種插入會(huì )擾亂其他基因的批評人士的素材。更重要的是，獲得轉基因作物使用批準非常復雜且花費頗高，以至于接受基因修正的都是大型大宗商品作物，比如玉米和大豆。

有了CRISPR，形勢將發(fā)生改變：快捷和低成本或許會(huì )使基因編輯成為較小型特殊作物和動(dòng)物的一個(gè)可行選擇。過(guò)去幾年間，研究人員利用該方法對小型豬進(jìn)行了基因改造，并且獲得了抗病小麥和水稻。他們還在通過(guò)基因改造獲得沒(méi)有角的牛、抵抗疾病的山羊和富含維生素的甜橙等方面取得進(jìn)步。

生態(tài)系統或被改變

除了農業(yè)，研究人員正在考慮CRISPR如何能被或者說(shuō)應當被用于野外的生物體。大部分注意力集中在一種被稱(chēng)為基因驅動(dòng)的方法上，因為它能迅速將被編輯基因在整個(gè)種群中傳播。這項工作正處于起步階段，但類(lèi)似技術(shù)能被用于消滅攜帶疾病的蚊子或蜱蟲(chóng)，清除入侵植物或消除使一些美國農民飽受折磨的豬草中的除草劑抗性。

不過(guò)，很多研究人員非常擔心，改變整個(gè)種群或將其全部清除會(huì )對生態(tài)系統產(chǎn)生無(wú)法預知的災難性后果：這可能意味著(zhù)其他害蟲(chóng)會(huì )出現，或者影響食物鏈上處于較高位置的捕食者。他們還擔心，引導性RNA會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移發(fā)生突變。隨后，這種突變將席卷整個(gè)種群，產(chǎn)生始料未及的影響。

“這種方法不得不擁有相當高的回報，因為它具有不可逆轉的危險和給其他物種帶來(lái)的意料之外或很難預估的后果。”哈佛醫學(xué)院生物工程師George Church表示。2014年4月，Church和一組科學(xué)家及政策專(zhuān)家在《科學(xué)》雜志上撰寫(xiě)了一篇評論文章，警告研究人員試驗性基因驅動(dòng)意外泄漏帶來(lái)的風(fēng)險，并且提出了防止此事發(fā)生的方法。

當時(shí)，基因驅動(dòng)看上去還是一個(gè)遙遠的前景。然而，不到一年后，加州大學(xué)圣地亞哥分校發(fā)育生物學(xué)家Ethan Bier和他的學(xué)生Valentino Gantz報告稱(chēng)，他們在果蠅中設計出類(lèi)似系統。Bier和Gantz利用3層的箱子容納果蠅，并且采用了通常用于研究攜帶瘧疾的蚊子的實(shí)驗室安全舉措。不過(guò)，他們并未遵循上述評論文章作者極力推薦的所有指導原則，比如設計逆轉基因改造所致變化的方法。Bier說(shuō)，他們正在開(kāi)展首個(gè)原理性試驗，并且想知道該系統能否在變得更加復雜之前行之有效。

對于Church和其他人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)明確的警告，即通過(guò)CRISPR開(kāi)展的基因編輯的大眾化會(huì )產(chǎn)生無(wú)法預料和不想看到的結果。麻省理工學(xué)院政治學(xué)家Kenneth Oye說(shuō)：“我們需要更多的行動(dòng)。”美國國家研究委員會(huì )已經(jīng)形成專(zhuān)家組探討基因驅動(dòng)，其他高級別商討也正在開(kāi)始進(jìn)行。不過(guò)，Oye擔心，科學(xué)正在以閃電般的速度向前發(fā)展，而監管上的改變可能只在基因驅動(dòng)泄漏事件受到關(guān)注后才會(huì )發(fā)生。

然而，該問(wèn)題并不是非黑即白。得州農工大學(xué)昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué)家Micky Eubanks表示，基因驅動(dòng)的提法最初讓他大吃一驚。“我最初本能的反應是‘我的天，這太恐怖了。它是如此的令人恐懼’。”Eubanks說(shuō)，但當你再考慮一下，并將其同人類(lèi)已經(jīng)造成并且將繼續造成的環(huán)境改變作下權衡，會(huì )發(fā)現它只不過(guò)是滄海一粟

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閱讀：  2015-06-12 09:18:36