基因技術(shù)突破在即——讓每個(gè)人都健康長(zhǎng)壽將不再是夢(mèng)想

原創(chuàng)：

人類(lèi)的發(fā)展歷史可以說(shuō)是一部伴隨著對(duì)自身健康和長(zhǎng)壽的極致追求的歷史，也是人類(lèi)演化的永恒課題！這篇文章會(huì)帶你走進(jìn)人類(lèi)長(zhǎng)壽的新希望——基因編輯技術(shù)的世界！

先讓我們一起來(lái)了解一下什么是基因編輯技術(shù)——CRISPR/Cas9吧！

我們身體對(duì)入侵自己身體的病毒會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，比如去年還肆虐全球的新冠病毒，和最近流行的甲流，人體的免疫系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出發(fā)燒、咳嗽等癥狀。有些病毒本身也可以感染細(xì)菌，它們被稱(chēng)為噬菌體（bacteriophage）。他們與人類(lèi)的免疫系統(tǒng)有很大不同，但細(xì)菌也有一個(gè)防御系統(tǒng)，保護(hù)它們免受感染，這個(gè)系統(tǒng)就是CRISPR/Cas9。

如噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，噬菌體會(huì)將自身的DNA注入進(jìn)細(xì)菌。細(xì)菌識(shí)別到這些入侵的DNA，并在CRISPR/Cas9（如人體的免疫系統(tǒng)）的幫助下將入侵噬菌體的DNA切成碎片，讓它的DNA失去復(fù)制功能，從而阻止感染。同時(shí)細(xì)菌會(huì)保留一些入侵DNA碎片，當(dāng)下一次帶有類(lèi)似DNA片段的噬菌體再入侵時(shí)，細(xì)菌就能迅速識(shí)別并更快地作出反應(yīng)，這些與人體的免疫系統(tǒng)完全一致。

細(xì)菌的CRISPR的全稱(chēng)是“規(guī)律間隔成簇的短回文重復(fù)序列”（Clustered Regularly Interspaced Short PalindromicRepeats）。由于是翻譯過(guò)來(lái)的原因，這個(gè)名字很不容易記，希望我們國(guó)內(nèi)的該領(lǐng)域?qū)＜覀兗影延停幸惶煲沧尷贤馊シg我們的中文。

就像絕大多數(shù)生物一樣，細(xì)菌也使用DNA作為自己的遺傳物質(zhì)。引用下我們初中生物課方老師講的知識(shí)，DNA由四種不同的核苷酸構(gòu)成，用英文字母表示就是A（腺嘌呤）、G（鳥(niǎo)嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）。這些字母的排列決定了生物體的遺傳信息和大多數(shù)性狀，就像是生命的“源代碼”。有些排列方式則可以構(gòu)成回文序列，就像“寧波湯圓出自寧波”這樣，DNA的回文序列就像是“TAGCGAT”這樣，好了，到這里我們基本了解了“回文”這個(gè)概念了。

而CRISPR的序列都是較短的回文序列組成的。這些回文序列會(huì)在一些臨近的區(qū)域重復(fù)多次出現(xiàn)，因此稱(chēng)為“成簇”和“重復(fù)”。然而，這些序列之間還有一些其它序列將其隔開(kāi)，這些其它序列被稱(chēng)為“間隔”。合并起來(lái)，CRISPR就叫作“規(guī)律間隔成簇的短回文重復(fù)序列”，通俗點(diǎn)講就是：有規(guī)律的帶有間隔的回文序列（個(gè)人理解獨(dú)創(chuàng)，各位也可以獨(dú)創(chuàng)一個(gè)容易讀記的）。而Cas9是CRISPR系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的一種蛋白質(zhì)。

CRISPR/Cas9有什么用，CRISPR是如何幫助科研人員編輯DNA的呢？實(shí)際上，這是一項(xiàng)非常重要的科學(xué)突破，2020年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就頒發(fā)給了改造這套系統(tǒng)的兩位科學(xué)家：Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna（見(jiàn)下圖）

如前所說(shuō)，組成DNA的核苷酸的不同排列方式?jīng)Q定了生物體不同的表現(xiàn)性狀。不同的性狀是由不同的基因決定的，基因就是一小段“有用”的DNA。比如說(shuō)，如果我們知道一個(gè)基因控制著狗狗毛發(fā)的顏色，那么改變這個(gè)基因中核苷酸的具體排列方式，對(duì)應(yīng)的毛發(fā)的顏色就會(huì)發(fā)生變化（見(jiàn)下圖）。

要理解CRISPR/Cas9編輯基因的原理，首先需要了解這個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。

首先要知道編輯的基因是什么，以及他們想要實(shí)現(xiàn)的功能如何。這項(xiàng)工作可以通過(guò)生物信息學(xué)手段來(lái)開(kāi)展。在知道基因序列后，實(shí)驗(yàn)人員就需要設(shè)計(jì)一段引導(dǎo)RNA（guide RNA，gRNA），并使用Cas9這種特殊的蛋白質(zhì)。Cas9就像是一把分子剪刀，它能剪開(kāi)DNA，但是需要gRNA來(lái)定位。gRNA是根據(jù)目標(biāo)基因來(lái)設(shè)計(jì)的一段特殊的核酸序列，它能夠和要編輯的基因序列互補(bǔ)結(jié)合，從而給Cas9提供“GPS坐標(biāo)”，讓Cas9到達(dá)正確的位置（下圖A）。gRNA包含了一個(gè)稱(chēng)作PAM的位點(diǎn)，這就是給Cas9的“信號(hào)”，讓Cas9能找到gRNA并在指定的位置切割DNA（下圖B）。

切割完成后還需要一段修復(fù)模板（repair template），這是一段包含新序列的DNA，它能夠結(jié)合到剪開(kāi)的位置，并在其它蛋白的幫助下，在原基因的位置生成新的序列（上圖C）。這樣，實(shí)驗(yàn)人員就可以復(fù)制、粘貼、添加或刪除DNA序列的部分內(nèi)容，就像在word文檔中編輯句子一樣！比如，假如研究人員想要在一個(gè)基因中插入ATGCTA這個(gè)序列，那么修復(fù)模板將包含ATGCTA，并在其兩端添加與原始基因相匹配的DNA，從而告訴修復(fù)模板該去哪兒。這樣，在DNA修復(fù)完成后，新的序列就會(huì)粘貼到DNA上的目標(biāo)位置（上圖D），從而得到編輯完成的基因。

那么，有了CRISPR/Cas9基因編輯工具，它能用來(lái)做什么呢？

我們?nèi)祟?lèi)有些遺傳疾病是由于DNA的錯(cuò)誤所引起的，它們可以一代一代地傳遞下去，即通常我們說(shuō)的遺傳病。科學(xué)家和醫(yī)生們正合作使用CRISPR/Cas9來(lái)嘗試治療由于DNA錯(cuò)誤所引起的這些疾病，這種療法被稱(chēng)為基因療法(gene therapy)。基因療法是一個(gè)嶄新的醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域，目前還沒(méi)有在人體上完全測(cè)試過(guò)。不過(guò)，如果CRISPR/Cas9基因療法能夠體現(xiàn)出對(duì)人體的安全性，那么它或許將成為一種極有價(jià)值的方法，從而治療并治愈遺傳病人。

另一方面，一些商業(yè)公司也嘗試使用基因編輯技術(shù)來(lái)創(chuàng)造新的產(chǎn)品。比如，一些研究者正嘗試改變番茄的DNA，使其能產(chǎn)生辣椒素（capsaicin），讓番茄體現(xiàn)出甜辣的味道。辣椒醬的口感將變得更加豐富！其他科學(xué)家也在使用CRISPR/Cas9來(lái)開(kāi)發(fā)新的玉米品種，從而讓它們?cè)跉夂蚋珊怠崂饲忠u的條件下也能正常生長(zhǎng)，這或許有助于解決全球糧食危機(jī)。

我們最感興趣的是，是否可以使用CRISPR/Cas9來(lái)使已滅絕的動(dòng)物復(fù)生？想象一下，如果能看到活生生的猛犸象或恐龍四處走動(dòng)，侏羅紀(jì)的各類(lèi)大型生物重現(xiàn)在我們眼前，就如影片侏羅紀(jì)公園里展現(xiàn)的那樣，那該有多酷啊！

盡管CRISPR/Cas9的應(yīng)用前景令人遐想，但科學(xué)家群體正呼吁著國(guó)際社會(huì)立法規(guī)范這一技術(shù)的應(yīng)用。任何技術(shù)的使用都應(yīng)以安全和倫理作為前提。科研倫理是規(guī)范科學(xué)家行為的道德準(zhǔn)則，它約束著科學(xué)成果必須保護(hù)公眾的健康和安全，確保每一項(xiàng)研究都合乎人權(quán)、動(dòng)物福利和法律規(guī)章，從而防止擁有先進(jìn)技術(shù)的科學(xué)家傷害到人、動(dòng)物或是環(huán)境。由于CRISPR/Cas9簡(jiǎn)單易行、成本低廉，幾乎很難控制這項(xiàng)技術(shù)的使用者和使用目的。就如前幾年很火的事件，南方科技大學(xué)副教授賀建奎宣布一對(duì)名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒于11月在中國(guó)健康誕生，由于這對(duì)雙胞胎的一個(gè)基因（CCR5）經(jīng)過(guò)修改，她們出生后即能天然抵抗艾滋病病毒HIV。這一消息迅速激起軒然大波，震動(dòng)了世界。

目前的CRISPR/Cas9還不能做到非常精準(zhǔn)的基因編輯。CRISPR/Cas9可能會(huì)結(jié)合到錯(cuò)誤的位置，從而編輯了其它的基因，并帶來(lái)一系列后果，這被稱(chēng)為脫靶效應(yīng)。這樣的話在實(shí)行基因編輯時(shí)候就會(huì)很大不可控的風(fēng)險(xiǎn)！

科學(xué)研究必須考慮潛在的危害，特別是當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)被不負(fù)責(zé)任地濫用時(shí)，其帶來(lái)的后果對(duì)于被編輯的個(gè)體而言可能是毀滅性的。比如，飽受質(zhì)疑的造成這次全球大流行的新冠病毒是否出自基因編輯技術(shù)呢？出于這個(gè)原因，世界衛(wèi)生組織和其它機(jī)構(gòu)正緊密地監(jiān)控、審查人類(lèi)基因編輯的研究項(xiàng)目，確保這些研究都遵守恰當(dāng)?shù)囊?guī)范。

如果我們?nèi)祟?lèi)以理性的方式使用CRISPR/Cas9等基因新技術(shù)，它肯定能帶來(lái)很多好處，比如我們可以用它來(lái)改良我們?nèi)梭w內(nèi)影響健康壽命的基因，這樣我們是否可以更快的實(shí)現(xiàn)健康長(zhǎng)壽的目標(biāo)呢？但有時(shí)，基因新技術(shù)的高速發(fā)展，以至于讓科學(xué)家和政策制定者都沒(méi)來(lái)得及反應(yīng)。因此，生物科學(xué)家們?cè)谂Ω纳迫祟?lèi)健康的同時(shí)，必須始終思考自己所做事情的風(fēng)險(xiǎn)，我們?cè)趪L試使用任何新基因技術(shù)的同時(shí)必須時(shí)刻有人類(lèi)命運(yùn)共同體理念，保證我們賴(lài)以生存的空間足夠安全！