基因技術突破在即——讓每個人都健康長壽將不再是夢想

原創(chuàng)：

人類的發(fā)展歷史可以說是一部伴隨著對自身健康和長壽的極致追求的歷史，也是人類演化的永恒課題！這篇文章會帶你走進人類長壽的新希望——基因編輯技術的世界！

先讓我們一起來了解一下什么是基因編輯技術——CRISPR/Cas9吧！

我們身體對入侵自己身體的病毒會產生一系列的反應，比如去年還肆虐全球的新冠病毒，和最近流行的甲流，人體的免疫系統會表現出發(fā)燒、咳嗽等癥狀。有些病毒本身也可以感染細菌，它們被稱為噬菌體（bacteriophage）。他們與人類的免疫系統有很大不同，但細菌也有一個防御系統，保護它們免受感染，這個系統就是CRISPR/Cas9。

如噬菌體感染細菌時，噬菌體會將自身的DNA注入進細菌。細菌識別到這些入侵的DNA，并在CRISPR/Cas9（如人體的免疫系統）的幫助下將入侵噬菌體的DNA切成碎片，讓它的DNA失去復制功能，從而阻止感染。同時細菌會保留一些入侵DNA碎片，當下一次帶有類似DNA片段的噬菌體再入侵時，細菌就能迅速識別并更快地作出反應，這些與人體的免疫系統完全一致。

細菌的CRISPR的全稱是“規(guī)律間隔成簇的短回文重復序列”（Clustered Regularly Interspaced Short PalindromicRepeats）。由于是翻譯過來的原因，這個名字很不容易記，希望我們國內的該領域專家們加把油，有一天也讓老外去翻譯我們的中文。

就像絕大多數生物一樣，細菌也使用DNA作為自己的遺傳物質。引用下我們初中生物課方老師講的知識，DNA由四種不同的核苷酸構成，用英文字母表示就是A（腺嘌呤）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）。這些字母的排列決定了生物體的遺傳信息和大多數性狀，就像是生命的“源代碼”。有些排列方式則可以構成回文序列，就像“寧波湯圓出自寧波”這樣，DNA的回文序列就像是“TAGCGAT”這樣，好了，到這里我們基本了解了“回文”這個概念了。

而CRISPR的序列都是較短的回文序列組成的。這些回文序列會在一些臨近的區(qū)域重復多次出現，因此稱為“成簇”和“重復”。然而，這些序列之間還有一些其它序列將其隔開，這些其它序列被稱為“間隔”。合并起來，CRISPR就叫作“規(guī)律間隔成簇的短回文重復序列”，通俗點講就是：有規(guī)律的帶有間隔的回文序列（個人理解獨創(chuàng)，各位也可以獨創(chuàng)一個容易讀記的）。而Cas9是CRISPR系統中起關鍵作用的一種蛋白質。

CRISPR/Cas9有什么用，CRISPR是如何幫助科研人員編輯DNA的呢？實際上，這是一項非常重要的科學突破，2020年的諾貝爾化學獎就頒發(fā)給了改造這套系統的兩位科學家：Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna（見下圖）

如前所說，組成DNA的核苷酸的不同排列方式決定了生物體不同的表現性狀。不同的性狀是由不同的基因決定的，基因就是一小段“有用”的DNA。比如說，如果我們知道一個基因控制著狗狗毛發(fā)的顏色，那么改變這個基因中核苷酸的具體排列方式，對應的毛發(fā)的顏色就會發(fā)生變化（見下圖）。

要理解CRISPR/Cas9編輯基因的原理，首先需要了解這個系統的各個組成部分。

首先要知道編輯的基因是什么，以及他們想要實現的功能如何。這項工作可以通過生物信息學手段來開展。在知道基因序列后，實驗人員就需要設計一段引導RNA（guide RNA，gRNA），并使用Cas9這種特殊的蛋白質。Cas9就像是一把分子剪刀，它能剪開DNA，但是需要gRNA來定位。gRNA是根據目標基因來設計的一段特殊的核酸序列，它能夠和要編輯的基因序列互補結合，從而給Cas9提供“GPS坐標”，讓Cas9到達正確的位置（下圖A）。gRNA包含了一個稱作PAM的位點，這就是給Cas9的“信號”，讓Cas9能找到gRNA并在指定的位置切割DNA（下圖B）。

切割完成后還需要一段修復模板（repair template），這是一段包含新序列的DNA，它能夠結合到剪開的位置，并在其它蛋白的幫助下，在原基因的位置生成新的序列（上圖C）。這樣，實驗人員就可以復制、粘貼、添加或刪除DNA序列的部分內容，就像在word文檔中編輯句子一樣！比如，假如研究人員想要在一個基因中插入ATGCTA這個序列，那么修復模板將包含ATGCTA，并在其兩端添加與原始基因相匹配的DNA，從而告訴修復模板該去哪兒。這樣，在DNA修復完成后，新的序列就會粘貼到DNA上的目標位置（上圖D），從而得到編輯完成的基因。

那么，有了CRISPR/Cas9基因編輯工具，它能用來做什么呢？

我們人類有些遺傳疾病是由于DNA的錯誤所引起的，它們可以一代一代地傳遞下去，即通常我們說的遺傳病。科學家和醫(yī)生們正合作使用CRISPR/Cas9來嘗試治療由于DNA錯誤所引起的這些疾病，這種療法被稱為基因療法(gene therapy)。基因療法是一個嶄新的醫(yī)學治療領域，目前還沒有在人體上完全測試過。不過，如果CRISPR/Cas9基因療法能夠體現出對人體的安全性，那么它或許將成為一種極有價值的方法，從而治療并治愈遺傳病人。

另一方面，一些商業(yè)公司也嘗試使用基因編輯技術來創(chuàng)造新的產品。比如，一些研究者正嘗試改變番茄的DNA，使其能產生辣椒素（capsaicin），讓番茄體現出甜辣的味道。辣椒醬的口感將變得更加豐富！其他科學家也在使用CRISPR/Cas9來開發(fā)新的玉米品種，從而讓它們在氣候干旱、熱浪侵襲的條件下也能正常生長，這或許有助于解決全球糧食危機。

我們最感興趣的是，是否可以使用CRISPR/Cas9來使已滅絕的動物復生？想象一下，如果能看到活生生的猛犸象或恐龍四處走動，侏羅紀的各類大型生物重現在我們眼前，就如影片侏羅紀公園里展現的那樣，那該有多酷啊！

盡管CRISPR/Cas9的應用前景令人遐想，但科學家群體正呼吁著國際社會立法規(guī)范這一技術的應用。任何技術的使用都應以安全和倫理作為前提。科研倫理是規(guī)范科學家行為的道德準則，它約束著科學成果必須保護公眾的健康和安全，確保每一項研究都合乎人權、動物福利和法律規(guī)章，從而防止擁有先進技術的科學家傷害到人、動物或是環(huán)境。由于CRISPR/Cas9簡單易行、成本低廉，幾乎很難控制這項技術的使用者和使用目的。就如前幾年很火的事件，南方科技大學副教授賀建奎宣布一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒于11月在中國健康誕生，由于這對雙胞胎的一個基因（CCR5）經過修改，她們出生后即能天然抵抗艾滋病病毒HIV。這一消息迅速激起軒然大波，震動了世界。

目前的CRISPR/Cas9還不能做到非常精準的基因編輯。CRISPR/Cas9可能會結合到錯誤的位置，從而編輯了其它的基因，并帶來一系列后果，這被稱為脫靶效應。這樣的話在實行基因編輯時候就會很大不可控的風險！

科學研究必須考慮潛在的危害，特別是當這項技術被不負責任地濫用時，其帶來的后果對于被編輯的個體而言可能是毀滅性的。比如，飽受質疑的造成這次全球大流行的新冠病毒是否出自基因編輯技術呢？出于這個原因，世界衛(wèi)生組織和其它機構正緊密地監(jiān)控、審查人類基因編輯的研究項目，確保這些研究都遵守恰當的規(guī)范。

如果我們人類以理性的方式使用CRISPR/Cas9等基因新技術，它肯定能帶來很多好處，比如我們可以用它來改良我們人體內影響健康壽命的基因，這樣我們是否可以更快的實現健康長壽的目標呢？但有時，基因新技術的高速發(fā)展，以至于讓科學家和政策制定者都沒來得及反應。因此，生物科學家們在努力改善人類健康的同時，必須始終思考自己所做事情的風險，我們在嘗試使用任何新基因技術的同時必須時刻有人類命運共同體理念，保證我們賴以生存的空間足夠安全！