從高中生物探討基因編輯與疾病防治的關(guān)系

摘要：來(lái)自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中國(guó)健康出生了一對(duì)名叫露露和娜娜的基因編輯雙胞胎嬰兒。露露和娜娜在出生時(shí)，受父母親的病毒遺傳（他們的母親正常，但父親患有艾滋病），就有風(fēng)險(xiǎn)感染艾滋病毒，但是為了讓他們?cè)诔錾鷷r(shí)就能抵抗艾滋病，科學(xué)家對(duì)雙胞胎的基因（CCR5）進(jìn)行了編輯，并且最終以勝利告終。這是基因編輯技術(shù)。本文將從高中生物學(xué)的角度討論基因編輯在疾病預(yù)防和治療中的作用以及基因治療的基本方法。

關(guān)鍵詞：高中生物；基因編輯；疾病防治

來(lái)自深圳的何建奎，在2018年11月26日宣布，11月在中國(guó)健康出生了一對(duì)名叫露露和娜娜的基因編輯雙胞胎嬰兒。露露和娜娜在出生時(shí)，受父母親的病毒遺傳（他們的母親正常，但父親患有艾滋病），就有風(fēng)險(xiǎn)感染艾滋病毒，但是為了讓他們?cè)诔錾鷷r(shí)就能抵抗艾滋病，科學(xué)家對(duì)雙胞胎的基因（CCR5）進(jìn)行了編輯，并且最終以勝利告終。這是基因編輯技術(shù)。本文將從高中生物學(xué)的角度討論基因編輯在疾病預(yù)防和治療中的作用以及基因治療的基本方法。

1.基因編輯技術(shù)

DNA是生物體中最常見的遺傳物質(zhì)。它可以通過自我復(fù)制傳遞穩(wěn)定的遺傳信息并通過DNA-RNA-蛋白的轉(zhuǎn)錄和翻譯表達(dá)遺傳信息。如果我們想要改變我們的基因，我們必須操作雙鏈DNA。

所謂的基因編輯是準(zhǔn)確鑒定靶DNA片段中的靶核苷酸序列，通過核酸內(nèi)切酶等方法切割，形成DNA雙鏈斷裂，并通過天然修復(fù)完成基因敲除，插入和置換。

簡(jiǎn)而言之，如上圖所示，在DNA的雙鏈中切割間隙。當(dāng)存在間隙時(shí)，敲除DNA序列，或插入DNA序列，或替換DNA序列。

這種方法的核心步驟是什么？一般來(lái)說，有可稱為“三件套”的三個(gè)主要環(huán)節(jié)。

（1）“GPS”：我對(duì)中學(xué)和高中生物學(xué)教科書中提到的基因工程技術(shù)中的DNA重組印象深刻（如果我們沒法更好地回憶并清楚地記得那就沒關(guān)系）。那時(shí)，重組方法不需要準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)序列，也就是說，隨機(jī)切割要篩選需要大量的重組。為快速準(zhǔn)確地找到要編輯的位點(diǎn)，基因編輯工具由專門識(shí)別目標(biāo)DNA序列的“GPS”引導(dǎo)，這也就是基因編輯技術(shù)的價(jià)值，它可以“指哪里到哪里”。

（2）剪刀：識(shí)別目標(biāo)DNA序列的“GPS”導(dǎo)航定位后，需要一種把各種DNA核酸酶當(dāng)作剪刀來(lái)切割雙鏈DNA并形成切口。

（3）“針和線”：不管是敲擊、插入還是更換，在切開切口后都需要通過細(xì)胞中天然存在的DNA雙鏈斷裂修復(fù)機(jī)制“縫合”切口。細(xì)胞連接意外的DNA雙鏈斷裂，在自然狀態(tài)下需要修復(fù)機(jī)制，這個(gè)過程不難想象。

2. 基因編輯技術(shù)中隱藏的高中生物知識(shí)

（1）免疫板塊

首先看一下免疫板塊，調(diào)查的重點(diǎn)一直是艾滋病。艾滋病是一種HIV攻擊T細(xì)胞地免疫缺陷疾病。T細(xì)胞在骨髓中發(fā)育并在胸腺中成熟。它們?cè)谔禺愋悦庖咧械墓δ苁欠置诹馨鸵蜃樱R(shí)別并呈遞抗原，通過遞增分化成效應(yīng)T細(xì)胞，從而分解入侵的靶細(xì)胞。HIV病毒是RNA病毒和逆轉(zhuǎn)錄病毒。感染后HIV病毒和T細(xì)胞的數(shù)量如何變化？看下面的圖片，就能判斷出艾滋病病毒感染后這個(gè)人的潛伏期有多長(zhǎng)，他能活多少年。

根據(jù)上圖，我們發(fā)現(xiàn)艾滋病毒首先出現(xiàn)了一個(gè)小高峰，然后遭免疫系統(tǒng)淘汰滅失；后來(lái)艾滋病毒再次爆發(fā)，這次維持在高位，相反，T細(xì)胞先增加后減少。2年為潛伏期，9年為存活時(shí)間。

（2）遺傳板塊

基因編輯技術(shù)是編輯CCR5基因，編輯后的基因相當(dāng)于原始等位基因。限制性內(nèi)切核酸酶和DNA連接酶在在基因編輯中離不開。為什么淘汰CCR5基因會(huì)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)？基因和性狀之間關(guān)系是什么？基因可能能夠確定許多性狀的特征。譬如，與胚胎發(fā)育相關(guān)的CXCR4基因相比，CCR5的受體不僅可以作為HIV受體，CCR5的功能和作用還存在許多許多人們還不知道的未知的可能性。[1]

（3）細(xì)胞功能板

細(xì)胞膜的信息交換功能體現(xiàn)在HIV通過化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的CCR5或CXCR4受體這兩種受體侵入具有分解入侵靶細(xì)胞特點(diǎn)的T細(xì)胞。

3. 從高中生物角度分析基因編輯對(duì)疾病防治的作用

在不久的將來(lái)，最新的基因編輯技術(shù)CRISPR將從根本上改變我們的世界，因?yàn)榭茖W(xué)家可以在疾病的治療和食物供應(yīng)等很多方面通過CRISPR精確手術(shù)切除多余的DNA片段。然而，人類生殖系統(tǒng)的編輯等許多潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素也蘊(yùn)含其中，我們必須從倫理和人類未來(lái)的角度來(lái)考慮和取舍。對(duì)于一些科學(xué)家來(lái)說，基因編輯技術(shù)創(chuàng)造的可能性似乎無(wú)窮無(wú)盡。讓我們來(lái)看看這項(xiàng)技術(shù)如何預(yù)防和治療疾病。

（1）癌癥有望得到治愈

CRISPR在人體中的應(yīng)用仍然存在太多的爭(zhēng)議，但在癌細(xì)胞開始肆虐你的身體之前，這種基因編輯工具能夠減少觸發(fā)癌細(xì)胞的基因或改善癌癥免疫治療。2016年，由互聯(lián)網(wǎng)億萬(wàn)富翁肖恩帕克資助和賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的CRISPR研究獲美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院批準(zhǔn)。這些研究針對(duì)三種不同類型的人類癌癥。然而由于該研究還未獲FDA的批準(zhǔn)，結(jié)果我們將長(zhǎng)期無(wú)從知曉。

（2）消滅攜帶寨卡病毒的埃及伊蚊

根除攜帶寨卡病毒的埃及伊蚊，雖然已發(fā)現(xiàn)幾種科學(xué)的方法，但我們現(xiàn)在有技術(shù)可以確保攜帶寨卡病毒的蚊子物種可以被最新的基因編輯技術(shù)CRISPR獨(dú)立地殺死。這項(xiàng)技術(shù)沒問題，但這個(gè)想法存在爭(zhēng)議。反對(duì)意見是蚊子在環(huán)境中扮演的角色我們并不完全了解，簡(jiǎn)單地根除它們，可能導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)難并產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的可怕后果。當(dāng)然利用基因編輯技術(shù)CRISPR消除當(dāng)?shù)匚米討?yīng)該問題不大，畢竟埃及伊蚊不是北美原產(chǎn)的。反對(duì)使用基因編輯技術(shù)CRISPR殺死蚊子物種的還有一種聲音，那就是可能不經(jīng)意間產(chǎn)生對(duì)這種技術(shù)免疫的超級(jí)蚊子或者連帶著其他昆蟲也發(fā)現(xiàn)蚊子DNA缺陷的類似問題，屆時(shí)嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難不可避免。

（3）開發(fā)更多更好的藥物

基因編輯技術(shù)CRISPR利用CRISPR精確手術(shù)切除多余的DNA片段的技術(shù)以提高修復(fù)體內(nèi)細(xì)胞的能力可以為我們提供更多更好的藥物。拜耳曾經(jīng)與一家初創(chuàng)發(fā)現(xiàn)Cas9技術(shù)的公司RISPR Therapeutics簽署了一項(xiàng)其目標(biāo)是利用基因編輯技術(shù)CRISPR開發(fā)新的藥物的協(xié)議。其他制藥公司紛紛模仿。這就為為稀有疾病，遺傳病和制藥業(yè)革命的藥物開發(fā)打開了大門奠定了基礎(chǔ)。

（4）失明得到治愈

加利福尼亞州索爾克研究、哥倫比亞大學(xué)和愛荷華大學(xué)于2016年初聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)研究以及2017年秋天科學(xué)家發(fā)布了的研究結(jié)果，表明他們能夠使用CRISPR幫助恢復(fù)一些視力，甚至治愈先天性遺傳性失明。這種遺傳編輯工具在小鼠中用于替代導(dǎo)致健康基因失明的錯(cuò)誤基因。雖然這是一個(gè)特殊情況，但它表明那些攜帶導(dǎo)致失明的基因或天生失明的人將來(lái)可能重見天日、看到光明。

（5）艾滋病得到根除

為抑制HIV復(fù)制并發(fā)展為晚期艾滋病，現(xiàn)在抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物和有毒化合物被大量患有艾滋病（HIV）這種致命病毒的患者所使用。然而基因編輯技術(shù)CRISPR可以像一把剪刀一樣準(zhǔn)確地剪切體內(nèi)包括HIV-1 DNA在內(nèi)的所有遺傳密碼。這是最近一項(xiàng)涉及小鼠的研究所呈現(xiàn)的研究成果。如果切斷DNA，可以阻止病毒復(fù)制。這是艾滋病得到根除的重要原因。下一步是研究靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人類。[2]

4.基因治療的主要方式

幾種針對(duì)由基因突變引起的疾病可能的基因治療方法不難想到。

（1）體外編輯：近年來(lái)流行的CAR-T技術(shù)（體外T細(xì)胞的病毒轉(zhuǎn)染使其能夠識(shí)別腫瘤表面的特定蛋白質(zhì)）以及干細(xì)胞的體外編輯，就是體外編輯的典型代表。這種方法聽上去比較簡(jiǎn)單，就是在體外“修復(fù)”由于突變而失去功能甚至變成癌癥的體內(nèi)細(xì)胞，修復(fù)受損的功能后再將它們輸注回體內(nèi)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是編輯發(fā)生在體外，一切都是相對(duì)可控的，因?yàn)榫庉嬁梢院Y選，有選擇地余地，可以在體內(nèi)使用糾正好的，糾正不好的可以直接丟掉，不容易出錯(cuò)；缺點(diǎn)是在復(fù)雜的缺乏深入研究的情況下，CAR-T的效果僅對(duì)血腫有好處，因?yàn)檠[的微環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，干細(xì)胞治療是唯一的方法。因此進(jìn)展并不是很大，因?yàn)楦杉?xì)胞相關(guān)疾病復(fù)雜的微環(huán)境使得干細(xì)胞向體內(nèi)的轉(zhuǎn)化不能起到預(yù)期的影響。

（2）體內(nèi)游離DNA表達(dá)：對(duì)于由于某些如血友病的疾病，直接的想法是將相關(guān)蛋白質(zhì)不是放進(jìn)入基因組，而是種到體內(nèi)的基因中。因?yàn)檫@些疾病是基因突變而缺乏特異性蛋白質(zhì)引起的。這種想法以外來(lái)體的形式在細(xì)胞質(zhì)中自由表達(dá)它們，現(xiàn)在最典型的是已經(jīng)可用的幾種被批準(zhǔn)的病毒轉(zhuǎn)染基因療法。相對(duì)安全是這種方法的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是因?yàn)楦淖兓蚪M往往是不可逆轉(zhuǎn)的，所以在危險(xiǎn)的錯(cuò)失距離的情況下后果是嚴(yán)重的，這就是為什么在20世紀(jì)90年代后期有許多個(gè)死亡案例。此外，一個(gè)是游離病毒DNA或概率也就是沒有定位的隨機(jī)插入基因組，另一個(gè)是外泌體DNA，不像在分裂中穩(wěn)定復(fù)制的基因組中的DNA那樣，可能隨著細(xì)胞分裂而耗盡，因此治療可能不是長(zhǎng)期的。

（3）體內(nèi)基因組編輯：這可以消除致病基因并恢復(fù)機(jī)體功能，可以說是最有前途的基因治療方法，即直接在體內(nèi)通過利用基因編輯技術(shù)修飾突變體靶DNA。這種方法，最大的問題是安全，優(yōu)點(diǎn)是可以根除基因突變而缺乏特異性蛋白質(zhì)引起的疾病，例如不能在體內(nèi)正常表達(dá)凝血八因子的血友病A患者，利用基因編輯技術(shù)可以將凝血八因子的基因插入基因組然后就可以正常地表達(dá)想表達(dá)的。

參考文獻(xiàn)

[1]單奇?zhèn)ィ卟氏?植物基因組編輯及衍生技術(shù)最新研究進(jìn)展[J].遺傳，2015.

[2]封志純.發(fā)育醫(yī)學(xué)：全過程整合，全鏈條創(chuàng)新[J].醫(yī)學(xué)電子雜志，2018，6（1）：15-19.

作者簡(jiǎn)介：李岑（2001.06-）男，漢族，四川廣安人，高三在讀，對(duì)于生物相關(guān)專業(yè)具有濃厚的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情。

（作者單位：廣安友誼中學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校）