發(fā)布日期：2018-02-07
CRISPR 是在 20 世紀 90 年代初被發(fā)現(xiàn)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(xué)、農(nóng)業(yè)和微生物學(xué)等領(lǐng)域研究人員中最流行的基因編輯工具?？茖W(xué)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(shù)最令人興奮的應(yīng)用，以及可能減緩或阻止其發(fā)揮其全部潛力的障礙。
1.CRISPR 可以糾正導(dǎo)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(fā)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(dǎo)致心臟組織變硬，這可能導(dǎo)致胸痛、虛弱，更嚴重時甚至會出現(xiàn)心臟驟停。得益于最近的醫(yī)學(xué)進步，HCM 患者的平均預(yù)期壽命接近普通人，但如果不及時治療，會導(dǎo)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(xué)大學(xué)的科學(xué)家們用 CRISPR 刪除了人類胚胎中的一個缺陷基因。結(jié)果是令人興奮的：在受精后 18 個小時內(nèi)采用 CRISPR-Cas9 技術(shù)的 54 個胚胎中，有 36 個沒有顯示基因突變 (幾乎沒有發(fā)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(shù)細胞發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(jié)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(xué)大學(xué)研究員肖克拉特·米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）在新聞發(fā)布會上說:“通過使用這項技術(shù)，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(fā)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(xué)家質(zhì)疑這幾十種突變是否真的被修復(fù)，但這項研究的確幫助科學(xué)家更好地理解 CRISPR 的功效。此外，HCM 研究的共同作者之一已經(jīng)表示，有興趣將同樣的技術(shù)應(yīng)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(xué)家們知道改變?nèi)祟惻咛サ倪z傳密碼可能會產(chǎn)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(xué)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(jiān)禁。與此同時，英國人類受精與胚胎管理局于 2016 年授權(quán)倫敦的一個科學(xué)家團隊，允許他們編輯人類胚胎基因。英國科學(xué)家希望這將開創(chuàng)先例，并為未來的應(yīng)用打開大門。
2.CRISPR 可以消除導(dǎo)致疾病的微生物
盡管艾滋病的治療已經(jīng)將病毒從致命殺手變成了健康威脅，但科學(xué)家們還沒有找到治愈方法。這種情況可能會隨著 CRISPR 技術(shù)的進步而改變。在 2017 年，中國研究團隊通過復(fù)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(xué)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(fā)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(xué)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(dǎo)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(xué)家使用 CRISPR 來設(shè)計噬菌體，即能在細菌內(nèi)感染并復(fù)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(jīng)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(dǎo)致結(jié)果無法預(yù)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(fā)免疫反應(yīng)，或?qū)е履涂股丶毦鷮κ删w產(chǎn)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(shè)計噬菌體持樂觀態(tài)度，因為它們是一種經(jīng)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(fù)活滅絕物種
2017 年 2 月份，哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家喬治·徹奇（George Church）在美國科學(xué)促進協(xié)會（AAAS）年會上發(fā)表了一項令人驚訝的聲明。他聲稱自己的團隊可在 2 年內(nèi)培育出大象 - 猛犸象雜交胚胎。徹奇希望復(fù)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(zhì)結(jié)合起來。后者的樣本是從西伯利亞發(fā)現(xiàn)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(jù)《新科學(xué)家》雜志報道，最終的目標是將這種雜交胚胎植入大象體內(nèi)，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(nèi)生長將是另一個需要克服的障礙。當然，徹奇的實驗室已經(jīng)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(chuàng)造更健康的新食物
CRISPR 基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域已被證明非常有前途，來自紐約冷泉港實驗室的科學(xué)家利用該工具提高番茄產(chǎn)量。這家實驗室開發(fā)了一種方法來編輯決定番茄大小、分枝結(jié)構(gòu)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(fā)布會上說:“現(xiàn)在，每個特征都可以像電燈開關(guān)那樣控制。我們現(xiàn)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(chǎn)量障礙。”
為了滿足饑餓世界的需求，高產(chǎn)作物只是一個開始，科學(xué)家們希望 CRISPR 也能幫助轉(zhuǎn)基因作物擺脫污名。2016 年，農(nóng)業(yè)科技公司 DuPont Pioneer 發(fā)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(shù)上講，它不是轉(zhuǎn)基因作物。
轉(zhuǎn)基因作物和基因編輯作物的區(qū)別相當簡單。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)基因作物繼續(xù)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(zhuǎn)基因食物在美國市場上已經(jīng)存在幾十年，科學(xué)家們沒有發(fā)現(xiàn)任何健康風險，盡管轉(zhuǎn)基因作物的最大支持者也承認，科學(xué)家們?nèi)匀徊恢浪械拈L期風險。CRISPR 編輯的作物也是如此。當然，科學(xué)家們將繼續(xù)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(shù)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(zhì)”基因編輯玉米推向美國市場。經(jīng)過基因編輯的蘑菇已經(jīng)繞過了美國農(nóng)業(yè)部的規(guī)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(jīng)宣布將對與轉(zhuǎn)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(shù)可以直接對抗傳染性疾病，但是有些研究人員已經(jīng)決定通過消除傳播途徑來減緩疾病的傳播。加州大學(xué)河濱分校的科學(xué)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(xué)家們史無前例地控制了該生物傳給后代的特征。其結(jié)果是：通過改變負責眼睛、翅膀和角質(zhì)層發(fā)育的基因，創(chuàng)造出黃色、三眼、無翼蚊子。
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(qū)動”系統(tǒng)來傳播這些抑制特性?；蝌?qū)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(xué)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(qū)動系統(tǒng)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(shù)量可能會帶來無法預(yù)料的后果。消滅一個物種，即使是一個看起來沒有多少生態(tài)價值的物種，也會破壞生態(tài)系統(tǒng)的謹慎平衡。這可能會帶來災(zāi)難性的后果，比如破壞食物網(wǎng)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(xué)進步表明，CRISPR 不僅是一種用途極其廣泛的技術(shù)，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(fù)活的過程中，技術(shù)和倫理障礙仍然存在，但我們依然要按照這個方向前進。
來源：生物360
