解码生命 守护健康

基因编辑:人类改造生命的漫漫长路

2018-12-11 23:00:44孟德尔生物实验室


 

故事的开始


 

前段时间,关于某中国“科学家”成功通过基因编辑技术创造了世界首例抗艾滋病双胞胎的新闻引起舆论一片哗然。更有不时地小道消息宣称此成果代表中国生命科学技术国际领先的“无知观点”甚嚣尘上。倘若不是有主流媒体及时站出来批评并且抗议这种不人道的做法,恐怕真的会有很多人会引以为傲罢。要知道事物的利弊,必须正确的了解其所以然。
 

 

所以,作为正经的科普,我们姑且扒一扒人类在改造生命这事上的漫漫长路。

 

对于生命体的改造,并不是各位所想的如此高深莫测,倒不如说古已有之。多久以前呢?

长生不老时人之所望,古人沉迷炼丹,不过是在朴素唯物主义指导下的错误实践而已。硫化物,雄黄,重金属;诸如此类的剧毒竟被视之为永生之道,难怪乎无论平民,士大夫或是天子,无不是或早或晚地中毒,得肿瘤,七窍流血而死。且不说淮南王刘安在豆浆中用石膏点化得豆腐的奇妙案例,在错误理论指导下的实践活动无不南辕北辙。

 

如是的情况持续了千百年而不止,直到近百年来的科学崛起。

新时代的发现


 

1953年沃森-克里克发现且系统提出DNA双螺旋结构开始,紧随着马修 麦塞尔逊和富兰克林 斯塔勒证实半保留复制,加之肺炎双球菌转化实验,噬菌体侵染实验的多重例证,人们终于拨云见日发现了人类传宗接代的物质奥秘——脱氧核糖核苷酸,核糖核苷酸。简而言之,DNA和RNA。
 


 

这两类遗传物质有着惊人相似的特征:磷酸基团,核糖,与碱基:A,T,C,G,U或是I,D之类稀有碱基。他们的近乎无穷的排列组合方式书写了每一个人的生命之书。只可惜,直到最近的几十年,这本书一直由大自然保管,被严格地锁了起来,人类只得看看封面,翻翻简介,要想撕下几页来,或是在上面涂涂改改,那几乎不可能。不过众所周知,随着时代的进步,正如剪刀能裁纸,人类终究是找到了几把用于裁剪生命之书的剪刀:ZFN,TALEN和CRISPR.
 

 

工作原理


 

首先,我们要了解这些技术的共同作用机理:基因敲除,同源基因片段替换和DNA自主修复。想象一下,你的书包里有一叠作业,不过在你要交给老师之前,有同学趁你不在把他们都拿了出来,把当中的所有作业都换成了其他的卷子,只有第一张和最后一张是一样的。你回来以后慌张地发现书包里的作业不见了,在寻找中发现作业竟然在桌子上,拿起来一看,第一张和最后一张确实自己的卷子,那当中的应该我的卷子吧。你寻思着,把作业都交给了老师,殊不知当中早就被人换掉了。这种狸猫换太子术正是现代基因工程中常用的方法。在之前的例子中,你的作业就是目标基因;同学们就是科学家和他的工具酶;换过的作业就是科学家们想要替换的基因片段,因为其看上去和目标基因像,故名之:同源基因序列;最后,你慌乱寻找作业的过程就是细胞的DNA自我修复过程。
 

 

整理一下,基因编辑的大致过程就是科学家用某种酶识别并且切除目标基因(靶基因),细胞发现DNA损坏,进行修复,科学家又趁乱放入一些修改过的同源基因序列,修复机制误以为这些是原来的序列,便慌乱地拼凑了回去。就这样,一段编辑过的基因便诞生了。

 

 

 

 那么,之前提到的三种:ZFN,TALEN,CRISPR技术又有什么不同呢?其实,原理相同,使用的工具不同罢了。就像你想攻击敌人阵地,可以用精确制导导弹轰炸,可以派出一支军队强攻,或者站得远远的用石头砸。这些方法原理差不多:发现阵地,然后搞破坏。只不过是效率和精确性的差别罢了。这三种编辑方法也是这样的。

 

ZFN和TALEN

首先出现的是ZFN和TALEN技术。ZFN(锌指核酸酶:Zinc Finger Nuclease)和TALEN(转录激活因子样效应物核酸酶:transcription activator like effector nuclease)是两种相对较早的技术,锌指核酸酶,顾名思义,这种特殊结构中含有三根含有锌的“手指”,这样的结构用来识别特异性的核酸序列,从而找到靶基因。而TALEN中情况也是类似的,利用一种叫做TALE的发现于黄单胞杆菌的一个氨基酸序列用来识别靶基因。

 

 

以上所述,就是军队中的侦察兵。但是光靠侦察兵是打不赢战争的。于是,我们的进攻部队登场,科学家们同样在细菌中发现了具有核酸内切酶活性的Fok1蛋白,这样就能够将靶基因剪下来,加入修改过的同源基因,剩下来的事情,大可交给细胞中自己修复和运气。

 

 

 

 

 这样的基因编辑存在问题,正如我的比喻,这两种方法好比用军队攻打,效率比较低,常常要持续几周的时间;而且“侦察兵”有时会出错,“进攻部队”也不见得会正常发挥,所以基因脱靶,剪辑无效等失败常常发生。而且对于穷酸的科学家们来说,最严重的问题就是:贵。做一次TALEN有可能要花上几千美元才能搞定。

 

CRISPR

于是读音形似薯片,迅捷精准好似导弹的CRISPR便被发明了出来。CRISPR(成簇规律间隔短回文重复:clustered regularly short palindromic repeats)这串生涩难懂的中文名字和英语名称背后不知蕴含着多少科学家的辛苦血汗。同样的,CRISPR用来识别,取而代之的是Cas蛋白用以切割,又分成1,2,3型,其中以2型最为简单只是用Cas9蛋白即可,便形成了我们所见,大名鼎鼎的CRISPR/Cas9体系。

 

 


 

这样一个强大的战斗部有一小段导引RNA作为先导,找到靶基因,特异性识别后机型剪切,同源片段随后被敲入。

 


 

这样的技术宛如雪中送炭,将实验周期缩短到几天,更是将价格降到几百美元即可。不过,目前为止,这三种基因编辑技术都存在不可避免地缺陷,再先进的导弹也有失误的时候,再有力的剪子也会卡住,或者乱剪一通。科学家们仍然无法确定到底是什么原因导致上述错误,又如何避免。这边说明了文章开头的那位科学家错在哪里了。据悉,他所利用的正是最简便的CRISPR技术敲除了人类编码细胞便面一个与艾滋病病毒结合受体蛋白地CCR5基因。并且直接用于人类实验。且将伦理审查等社会因素排除在外,这样鲁莽的行为也不科学和严谨,婴儿人生的安全也是未知数,之后要是养育后代,其携带的编辑基因是否会污染人类基因组,一切都是未知的,我们当然希望人类能找到生命奥秘地钥匙,更多的基因编辑技术一定会被发明出来,但是我们不希望人类在此之前蒙着双眼,用几把粗略的工具却敲开了潘多拉魔盒。

 

请为人类思考。


 

撰稿:陶靖哲
 

责编:沈宇骏