微生物送來(lái)的基因剪刀

陳朝

我們一直在嘗試編輯基因，這可是所謂生物遺傳的密碼。

病毒這兩個(gè)字，每一個(gè)都讓人恐懼。它們侵入細(xì)胞，將自己的遺傳物質(zhì)注入其中，利用細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境復(fù)制自己，這個(gè)過(guò)程很可能導(dǎo)致細(xì)胞病變、死亡。但病毒并不在乎，或者說(shuō)，病毒那些自私的基因并不在乎。它們唯一要做的就是復(fù)制自己，感染更多的細(xì)胞才能最大化自己的利益。

在這種戰(zhàn)爭(zhēng)中，另一方當(dāng)然也不能示弱。比如我們?nèi)祟?lèi)，身體中有一套復(fù)雜的免疫系統(tǒng)幫助我們對(duì)抗病毒。但是，簡(jiǎn)單的細(xì)菌和古細(xì)菌自己的身體僅僅是一個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞，不像我們?nèi)祟?lèi)，用各種高度分化的細(xì)胞筑起了免疫的長(zhǎng)城。果然，這些微生物在殘酷的生存競(jìng)爭(zhēng)中也不會(huì)坐以待斃。

這就要從八十年代說(shuō)起了，科學(xué)家在細(xì)菌的基因中發(fā)現(xiàn)了奇特的重復(fù)片段，這些基因看似對(duì)細(xì)菌的生存沒(méi)什么作用，卻大量地存在于多種細(xì)菌和幾乎所有古細(xì)菌的基因中。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)，一些片段和噬菌體等病毒的基因近似，看起來(lái)，好像是病毒的基因混進(jìn)了細(xì)菌的基因中。

這是一種無(wú)可奈何的基因混雜嗎？畢竟這些原始的原核生物和我們不一樣，缺乏細(xì)胞核等各種機(jī)制保護(hù)自己的基因。但這種有規(guī)律的基因片段恐怕不是一場(chǎng)生化混亂的結(jié)果?？茖W(xué)家從免疫的角度理解這些基因，就發(fā)現(xiàn)了它們神奇的作用。

原來(lái)這些基因被轉(zhuǎn)錄成RNA后，會(huì)和一種叫做Cas的蛋白共同作用，并能夠剪切掉和自己匹配的DNA。也就是說(shuō)，細(xì)菌和古細(xì)菌攜帶了一段本來(lái)屬于病毒的DNA，這段DNA成了病毒的通緝令，一旦有病毒入侵，這些微生物就放出攜帶了通緝令的蛋白質(zhì)，把病毒的DNA剪碎。

在和病毒的殘酷斗爭(zhēng)中，一旦細(xì)菌、古細(xì)菌能夠幸存，就把敵人的基因記錄下來(lái)，直接放置在自己的基因組中，等到下一次近似的外敵入侵，就能利用這個(gè)“記憶”放出一把剪刀。而且因?yàn)椤坝洃洝蔽挥诨蚪M，這種能力還將遺傳給自己的后代。

科學(xué)家把這個(gè)系統(tǒng)命名為“規(guī)律間隔成簇短回文重復(fù)序列”（CRISPR），是一種后天獲得、還能遺傳給后代的免疫能力。

從八十年代發(fā)現(xiàn)這些奇特的DNA序列，到理解了它們的遺傳涵義，這之間一下耗費(fèi)了二十年的時(shí)間。直到2005年我們才理解這種序列的免疫能力，并在之后理解了這些基因如何轉(zhuǎn)錄、又如何和Cas蛋白質(zhì)結(jié)合變成一把自己尋找目標(biāo)的剪刀。之后的事情就變得有趣了。

我們一直在嘗試編輯基因，這可是所謂生物遺傳的密碼。我們希望能夠給生物加入一些基因，讓他們獲得不同的能力，或者減掉某些基因，防止這些搗亂基因給我們帶來(lái)疾病。但是，先不說(shuō)實(shí)現(xiàn)這些愿望，光是改變小白鼠、斑馬魚(yú)等動(dòng)物的基因，CRISPR/Cas9就已經(jīng)是一件稱手工具了。

可是編輯基因談何容易？基因是細(xì)胞生命的核心，細(xì)胞有一系列機(jī)制防止它們被各種外來(lái)因素改變，不僅有染色體等物質(zhì)的保護(hù)，基因本身也是纏繞在一起的雙螺旋。我們不妨把基因的剪輯想象成剪輯膠片，只不過(guò)這一次，我們不能用眼睛看著膠片，因?yàn)檫@堆膠片還是纏繞在一起的一團(tuán)亂麻。

于是，我們先是發(fā)現(xiàn)了基因上的一些位點(diǎn)可以用來(lái)剪切，但之前的幾種技術(shù)不僅耗時(shí)很長(zhǎng)、價(jià)格昂貴，剪切的位點(diǎn)也有一些限制。此時(shí)CRISPR/Cas9技術(shù)來(lái)到了我們面前——一把自己尋找目標(biāo)的剪刀。

想想看，CRISPR的能力是根據(jù)一段DNA，主動(dòng)找到對(duì)應(yīng)的DNA并將它解旋、剪斷，而基因編輯的第一步正是剪開(kāi)基因。如果是基因敲除，只要剪開(kāi)后等待基因自行修復(fù)，原有基因可能就失去了功能。如果想加入新的基因，那么剪開(kāi)也是加入的第一步。于是，它就從一種微生物的免疫系統(tǒng)，變成了基因編輯的得力工具。

我們已經(jīng)能夠制造Cas蛋白和引導(dǎo)生化反應(yīng)需要的RNA，只要把想切割的基因做成片段植入到真核細(xì)胞生物內(nèi)，它們就會(huì)自己在體內(nèi)制造包含這些片段的“剪刀”。只不過(guò)這一次剪刀的目標(biāo)不是入侵者的DNA，而是自己基因組中科學(xué)家需要剪開(kāi)的DNA。這種技術(shù)一投入使用，立刻成了最熱門(mén)的基因編輯技術(shù)。

為什么呢？便宜和高效。以前的幾種技術(shù)需要特定的實(shí)驗(yàn)室，周期在兩個(gè)月甚至更長(zhǎng)，一次花銷(xiāo)在2500美元到7000美元之間。如今，任何實(shí)驗(yàn)室只要購(gòu)買(mǎi)Cas9等試劑就能開(kāi)始工作，一單元的費(fèi)用僅僅50到100美元，周期也可能縮短到兩周。而且，這個(gè)技術(shù)適用范圍非常廣，多種模式生物、細(xì)胞、組織都已經(jīng)嘗試了用它來(lái)編輯基因。

一種廉價(jià)高效的基因編輯技術(shù)，一下點(diǎn)燃了很多希望：艾滋病的治愈、自閉癥、漸凍人、編輯免疫細(xì)胞、研制新藥……不僅在科研領(lǐng)域，醫(yī)療和工業(yè)界立刻意識(shí)到這種技術(shù)的妙用。

就在2015年，一名女孩利用基因編輯治愈了白血病。醫(yī)生取出她的免疫細(xì)胞進(jìn)行改造，讓細(xì)胞能殺死癌細(xì)胞，又能抵擋住化療藥物。盡管這次治療沒(méi)有使用CRISPR/Cas9，但毫無(wú)疑問(wèn)，如果能方便地編輯體細(xì)胞，激活或者關(guān)閉一些功能，可能就能催生一些魔法般的治療手段。

于是，2013年時(shí)科學(xué)界了解了CRISPR/Cas9，到了2015年，它已經(jīng)成了科學(xué)新聞中的大明星?！犊茖W(xué)》雜志將它評(píng)選為年度十大科學(xué)事件，由互聯(lián)網(wǎng)大佬注資的科學(xué)突破獎(jiǎng)也頒發(fā)給了發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制的科學(xué)家。在新聞?wù)掌?，這些平時(shí)身著白大褂的學(xué)者換上了晚禮服，被一群明星大腕、億萬(wàn)富翁簇?fù)碓谄陂g。

毫無(wú)疑問(wèn)，科學(xué)家應(yīng)該擁有這種榮譽(yù)，但這個(gè)畫(huà)面也讓我們知道，工業(yè)界敏感的嗅覺(jué)早就感到了這種技術(shù)蘊(yùn)含的機(jī)會(huì)。

爭(zhēng)議自然也接踵而來(lái)。首先是發(fā)明人的爭(zhēng)端：《紐約時(shí)報(bào)》反復(fù)報(bào)道了詹尼佛·杜德娜（Jennifer Doudna），中文媒體則關(guān)注做出重大貢獻(xiàn)的麻省理工學(xué)院博士張鋒。這個(gè)偉大的科學(xué)成功是由多個(gè)科研小組從不同角度發(fā)現(xiàn)的，又經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的共同努力，才獲得了突破。

著名學(xué)者埃里克·蘭德（Eric S. Lander）在《細(xì)胞》上發(fā)表了《CRISPR的英雄們》一文，記敘了一場(chǎng)正在發(fā)生的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史。他領(lǐng)導(dǎo)的Broad研究所還申請(qǐng)了包含CRISPR/Cas9系統(tǒng)載體和操作的專(zhuān)利。文章立刻引起了一些同行的怒火，人們發(fā)表了評(píng)論，認(rèn)為蘭德在評(píng)價(jià)科學(xué)家時(shí)厚此薄彼，并不惜稱呼他為科學(xué)界的惡棍。至于專(zhuān)利，并不控制所有相關(guān)技術(shù)，引發(fā)的影響則有待觀察。

另一項(xiàng)爭(zhēng)端幾乎伴隨各種基因工程，那就是扮演上帝的指責(zé)。也許有些人對(duì)“上帝”這個(gè)詞無(wú)感，但CRISPR/Cas9確實(shí)把基因編輯變得非常簡(jiǎn)單。

2014年，中山大學(xué)的科學(xué)家黃軍就團(tuán)隊(duì)在《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》（Protein & Cell）上發(fā)表論文，利用這一技術(shù)改造了一枚人類(lèi)受精卵，編輯了可能引發(fā)鐮刀形貧血的基因。考慮到實(shí)驗(yàn)倫理問(wèn)題，他們選取了不能正常發(fā)育的受精卵。

但是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也揭示，CRISPR/Cas9技術(shù)很可能能夠在人類(lèi)身上應(yīng)用。而且，和過(guò)去很多研究依賴胚胎干細(xì)胞不同，利用這個(gè)技術(shù)編輯基因完全繞開(kāi)了胚胎，卻可能引發(fā)新一輪倫理問(wèn)題的爭(zhēng)論。

科學(xué)記者艾德·楊用機(jī)關(guān)槍對(duì)長(zhǎng)矛來(lái)比喻CRISPR/Cas9對(duì)過(guò)去基因編輯技術(shù)的提升，提醒大家，這一技術(shù)已經(jīng)不是實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)會(huì)議流傳的論文了，它帶來(lái)的好處和風(fēng)險(xiǎn)都需要我們關(guān)注。他在為《大西洋月刊》撰寫(xiě)的文章中指出，即便是合乎情理也合乎法律的應(yīng)用，我們還是對(duì)基因所知甚少。新技術(shù)對(duì)于一些嚴(yán)重疾病的患者可能是福音，但除了病痛，我們對(duì)老年癡呆癥這類(lèi)疾病所知有限。

改造基因到底會(huì)為患者帶來(lái)什么？如何評(píng)估它的醫(yī)學(xué)風(fēng)險(xiǎn)？幾年前的人們還不需要面對(duì)這些問(wèn)題。而現(xiàn)在，一把能夠自己找到目標(biāo)的基因剪刀被送到了我們手中，能不能用好看來(lái)不光是科學(xué)界的事情了。