医疗革命只是开始 神奇的CRISPR基因技术将在15类领域大放光彩-焦点中国网

你是否想象过这样一种未来:人类对生物可以任意“定制”——父母可以“定制”婴儿,“挑选”未来孩子的身高、样貌甚至是瞳色;主人可以“定制”宠物,挑选金毛大小的博美、性格温顺的哈士奇;同样地,主人还可以“定制”植物,培育不带刺的玫瑰等等。事实上,随着近年来进展迅速的基因组编辑技术(CRISPR)继续向前推进,这些都有可能实现。

说到底,什么是CRISPR?从本源上讲,CRISPR是细菌遗传密码及其免疫系统的一个定义性特征。简单来说,在生物进化的开始,病毒能把自己的基因整合到细菌,,利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务,作为应对,细菌进化出了这种CRISPR系统,可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除。

从本质上说,这是一系列短的重复DNA序列,中间有“间隔”。简而言之,细菌利用这些基因序列“记住”攻击它们的每一种特定病毒。细菌将病毒的DNA整合到自己的基因组中,使之成为CRISPR序列中的间隔物,当这种病毒试图再次攻击时,就会被细菌免疫。

而在CRISPR基因序列附近,存在着被称为Cas(CRISPR-associated,CRISPR相关)的基因。关键点来了!一旦被激活,这组基因就会产生一种特殊的酶,这种酶和CRISPR共同进化,并且具有“分子剪刀”的功能,可以切割DNA。

科学家将这种酶命名为Cas9,并迅速掌握了用其切除细胞DNA的技术。虽然另有一些从细菌中提取的酶,同样具有切割DNA的功能,但是多次研究表明, Cas9是应用在动物身上效果最好的一种。因此,我们常听说的CRISPR技术,实际上全称应该是“CRISPR- Cas9基因编辑技术”。

很快,科学家们找到了这种技术的正确打开方式:他们在用当CRISPR- Cas9切断DNA后,将1个携带“固定”基因版本的新DNA序列嵌入到多出来的空隙中,为生物“定制”提供了实验基础。另外,科学家还可以用这种技术,完全“敲除”特别不想要的基因,比如那些导致遗传疾病的基因。

值得注意的是,因为伦理方面的因素,CRISPR技术在人类基因编辑方面进展缓慢。鉴于其会对人类基因组,甚至是人类社会造成永久性影响,美国食品药品监督局(FDA)对其持谨慎态度。一些科学家甚至提议暂停CRISPR试验,直到人类了解其更多潜在影响。

相较而言,我国在这方面的争议较小,部分医院的伦理委员会甚至可以在1天内批复相关项目,无须上报高级别监管部门。迄今为止,我国也是世界上唯一进行CRISPR人体试验的国家,以对抗癌症、HIV和HPV。据报道,针对4期胃癌和鼻咽癌等晚期癌症已经取得了一定进展,部分受试者出现了肿瘤缩小的状况。

固然,CRISPR可能存在一些未能了解的副作用,但对于一些用尽所有传统治疗方法的患者来说,它已经是唯一的选择。

以上便是CRISPR技术的原理和发展历程,可以看出,它确实是可以从“根”上改变人类的技术。不过,要实现这一点,不说技术难度,就算是人类在道德伦理上的争辩,也需要很长时间。当然,科学家们也不可能守着金山挨饿,CRISPR技术很可能在下面15个领域中,率先获得大规模使用,其中包括在人体上的浅层次应用:

一、健康

1、癌症治疗

癌症治疗是CRISPR技术应用最有前途的领域之一。恰好,一开始,CRISPR的研究重点也是在这方面。科学家们可以用CRISPR,将正常形式的基因替换为一种有缺陷的致癌基因,从而建立一个模型,更好地观测癌症的形成、影响,分析可能的治疗方式。

在研究癌症的同时,研究人员还对人体免疫系统下手,试图创造新的免疫疗法来对抗癌症。利用CRISPR,科学家也许可以培育出能杀灭癌细胞的免疫t细胞。简单来说,未来,人类的免疫系统可能可以像抵抗感冒病毒一样抵抗癌症。

之前提到,中国在这方面的研究处于领先状态,而此前一直对人体试验有所抵触的美国,今年也要打破旧例,开始包括癌症在内的一系列人体研究。据悉,宾夕法尼亚大学的研究人员将第一个吃螃蟹,不过他们的项目是镰状细胞疾病。

不过,从目前的研究来看,CRISPR在对抗癌症方面是一把双刃剑。最近的2项研究表明,被CRISPR-Cas9改变的细胞在编辑时,可能关闭肿瘤抑制基因p53,引发癌症。

2、基因疾病治疗

基因疾病是CRISPR早期应用的另一个领域,典型如镰状细胞病——引起红细胞畸形(镰状)并分解的疾病。

在这个领域,美国创业公司CRISPR Therapeutics是使用CRISPR的先行者。在试验中,他们从患者的血液中收集干细胞,成功使用CRISPR激活基因开关,让细胞恢复健康,再将其送回病人体内。目前,该研究已经通过测试,CRISPR Therapeutics正致力于将其投入临床试验。

顺着这条路,CRISPR技术还能用于治疗一系列遗传疾病,包括遗传性失明、囊性纤维化、亨廷顿氏舞蹈症等等。

3、传染病治疗

在用CRISPR技术对抗传染病方面,艾滋病研究是重中之重。2017年5月,坦普尔大学和匹兹堡大学研究人员成功利用CRISPR-Cas9技术,关闭了HIV-1的复制(HIV-1导致了95%的HIV感染),将病毒从受感染的动物细胞中清除。

1年后,日本神户大学的科学家又利用CRISPR,成功删除HIV-1的两个调控基因,阻止了它在人体内的传播。这一结果得到了《自然》杂志的背书,研究人员在文章中指出:“基于CRISPR-Cas9研究的快速进展,HIV-1的功能性治疗可能很快就会实现。”

4、基因筛查

相对而言,对胚胎进行基因筛选是一个有争议的应用方向。目前,CRISPR技术在这方面的应用还处于早期阶段,大致还停留在选择婴儿瞳色上。不过在未来,它还大有潜力可挖掘。

举个例子,科学家们正在研究一种“体外配子发育”(IVG)技术,试图在不需要精子和卵子的情况下,仅从口腔擦拭获得细胞中提取DNA,人工制造出受精卵。在IVG过程中使用CRISPR技术,科学家就可以相对容易地修复或编辑基因,消除疾病,甚至赋予胚胎遗传优势。

此外,CRISPR也可能被用来防止流产。弗朗西斯克里克研究所的研究小组使用CRISPR,成功阻止了1种导致胚胎崩溃的蛋白质产生。

5、器官移植

器官移植和捐赠是一个复杂的过程,目前市场处于严重的供不应求状态,即使移植完毕,病人也总遭到排斥反应的威胁。根据美国器官共享联合网络的数据,每10分钟就有1人被列入全美器官移植名单,同事,每天有20人在等待移植时死亡。

然而,CRISPR技术带来的异种移植技术,可能可以改变局面。所谓“异种移植”,就是将另一种动物的细胞、组织或器官移植到人体内。

利用先进的基因组编辑工具探索异种移植的可能性,这是由CRISPR先驱者创建的eGenesis实验室率先提出的概念。按照设想,研究人员可以使用CRISPR将人类干细胞注射到动物,比如猪的体内,让其生长,同时,人们用CRISPR-Cas9干预,使之长成某种器官,如心脏、肝脏、胰腺等。

对于人类来说,这项技术还有很长的路要走,但是异种移植已经在老鼠身上成功试验:科学家们成功用老鼠细胞在老鼠体内培育了大鼠胰脏。

6、诊断

目前的医疗诊断,需要患者亲自前往医疗现场,还需要较长时间收集结果,速度缓慢。杜德纳(Jennifer Doudna)创建的猛犸生物科学公司声称,他们“基于CRISPR的疾病检测平台”,可以提供远超目前标准的诊断方法。

按照他们的描述,利用CRISPR技术,病人只需将某种疾病样本激活检测卡,卡片就会出现可见的颜色变化,为医疗人员提供诊断依据。据其表述,他们的目标是为医院、病人提供快速、廉价和简便易行的疾病检测方法。

二、动物&农业

7、农作物培育

从杂交水稻到转基因农作物,在农业领域,人工挑选更大、更优质的农作物是一种惯例。现在,CRISPR技术大大扩展了研究人员改变作物的基因工具箱。

CRISPR可以用来培育适应性更强,更有或营养的作物。例如,随着全球变暖,干燥的气候条件和真菌疾病正在威胁西非(世界上超过一半的巧克力产地)的可可植物。为此,加州大学伯克利分校的创新基因组研究所与糖果制造商Mars合作,正使用CRISPR技术来培育抗病可可。

而在纽约,博伊斯·汤普森研究所(Boyce Thompson Institute)利用CRISPR技术对番茄基因进行了编辑,创造了“自我修剪”的番茄。在这种番茄植株上,每根枝条都能长出更多的果实,番茄成熟后,会自动和植株“一刀两断”,农民们可以收获干干净净的无蒂番茄。

8、食物保存

2014年,我国科学家利用CRISPR技术,培育出了一种抗白粉病的面包小麦。2016年4月,白纽扣蘑菇成为第一个获得美国农业部批准的、经CRISPR技术编辑的食物,这种蘑菇在改良后,可以抵抗褐变。而在未来,CRISPR技术可能会消灭传统的防腐剂。如果用其在食品基因中写入防腐特性,而且带来毒性还比防腐剂小,绝对会受到反添加剂运动支持者的热烈欢迎。

9、酿酒

加州大学伯克利分校生物学家利用CRISPR技术培育出了一种酵母菌。这种酵母可以在不用啤酒花的情况下,酿造出带有啤酒花风味的啤酒。除了改变酿造方式外,更重要的意义在于,这项发现能减少酿酒行业的浪费。目前,使用啤酒花酿制1品脱啤酒,需要50品脱左右的水;而在使用转基因酵母替代或补充啤酒花后,可以极大减少耗水量。

10、宠物和兽医服务

在动物研究上,CRISPR技术就不存在人体试验中的诸多禁忌,因此其进展也相对迅速。

2015年,我国科学家成功用CRISPR技术改良了2只狗的基因。在改良后,这2只名为“大力神”和“天沟”的小猎犬身上出现了更多肌肉,奔跑能力也得到了加强。同年,北京基因组研究所利用另一种基因编辑方法TALENs,在小型宠物猪身上添加了定制的颜色和图案。

无论是肌肉狗还是雕花猪,都只是CRISPR技术在动物改造领域的小试牛刀,其更紧迫的应用可能是在兽医领域。目前,兽医研究人员正研究用CRISPR防止猪疾病的传播、提高繁殖能力,以及反过来,通过注射经过扭曲的基因,在几代之内破坏动物繁殖能力,以控制种群数量。

11、动物保护和复现灭绝生物

随着CRISPR研究的推进,研究人员出现了1种神奇的想法:这种技术可能可以“复活”灭绝物种。例如,“再生与恢复”组织的科学家们正在使用CRISPR技术试图带回猛犸象的杂交后代,试图重现猛犸象3600年前的威风。

研究小组的目标是将猛犸象的基因拼接到大象胚胎基因组中,创造出具有猛犸象所有特征的猛犸象-大象杂交体。他们希望,复活的猛犸象能够将北极苔原重新转化为草原,为应对气候变化尽一份力,并为现代医学研究和大型哺乳动物保护做出贡献。哈佛大学科学家信心满满地表示,人们明年就能看到猛犸象的“复活”。

三、生物科技

12、药物研发

目前的药物研发过程漫长、昂贵,还存在许多障碍,CRISPR技术的应用可以颠覆这个过程。研究人员可以使用CRISPR“敲除”特定基因,筛选出特定的促进疾病的基因,以及和耐药性有关的基因,以开发更有效的治疗方法。

此外,建立“疾病模型”来测试新药一直是一个复杂和昂贵的过程。但CRISPR技术可以让研究人员快速、低成本、精确地创建疾病模型,然后在这些模型上测试他们的药物供应,使之快速进入早期临床阶段。

13、新材料研发

除了老生常谈的治病话题以外,CRISPR技术还可以用于工业生物技术领域,比如研发新材料。

专注于CRISPR的非治疗应用的创业公司Caribou Bioscience提供基于CRISPR的工具,改善工业发酵过程,革新化学品和酶的生产过程。他们还用CRISPR操纵微生物,生产新的化学品。潜在的新型生物材料包括香精、香精和工业清洁产品。换句话说,CRISPR技术不仅是科学界的阳春白雪,其产物更有可能飞入寻常百姓家。

四、能源

14、生物燃料

2017年6月,合成基因组公司联手埃克森美孚,培育出了一种富含石油的藻类,可以转化为燃料。

当然,这不是说让藻类直接分泌石油,只是研究人员使用CRISPR-Cas9在内的技术,识别和“关闭”藻类中调节脂肪生产的蛋白质。因此,这些人工藻类在保持生长速度的情况下,可以产生2倍于野生同类的脂肪,成为生物燃料的绝佳原材料。

该组织的长期目标是创造“可持续的、可再生的生物燃料,与从地下开采石油相比具有成本竞争力”,研究人员目前正在努力扩大藻类燃料的规模。

五、国家安全

15、生化武器

2016年2月,美国前国家情报总监克拉珀(James Clapper)将基因编辑加入了“大规模杀伤性武器和扩散武器”构成的威胁名单。克拉珀指出,基因组编辑的研究,可能会推进潜在有害生物制剂或产品的生产。此外,CRISPR技术还可以培育携带病毒的蚊子、消灭关键作物的瘟疫或危险的病原体。

美国国家科学院认为,要找到应对此类威胁的有效对策非常困难。随着CRISPR技术的发展,其作为武器和防御工具的用途必将扩大。