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CRISPR的历史、现在与未来

2018-06-13 15:02:00 来源:今日中国 作者:马 迪 【关闭】 【打印】

  曾经,生物学只是一门探索性的观察实验科学。20世纪初,人们刚刚搞清楚狗流口水是因为条件反射,谁也没想到,仅仅50年后生物学就进入了分子时代—DNA是一道光,如此美妙,祖先的奥秘、进化的密码、疾病的根源……虽然众说纷纭,但一切都正在变得可以解释。

  光是理解当然不够,重要的是如何着手改变。在基因编辑技术发展的早期,生物学家们耗费大量时间将基因加载到用来目标细胞里,这是一个耗时耗力、堪称“劳动密集型”的过程,直到2012年CRISPR的横空出世。

  “CRISPR是什么”?简单来说,它是一种革命性的、强大的新型基因编辑工具,可以精确定位和切割任何种类的遗传物质,是修改地球上任何生物(包括人类)生命密码的最快、最简单和最便宜的方法。

  CRISPR的本义是广泛分布在微生物中的一系列重复的DNA序列,是细菌用来保护自己免受病毒攻击的防御系统。简而言之,细菌利用这些基因序列来“记住”攻击它们的“敌人”,并将“敌人”的DNA整合到自己的基因组中,由此获得对特定“敌人”的免疫力。

  科学家发现这个过程中,位于CRISPR附近的基因(被称为Cas,CRISPR相关基因)会产生特殊的酶,能够切割DNA,尤其是CRISPR-Cas9,能够在动物体内执行这种操作,仿佛一把“分子手术刀”,可以在DNA中产生双链断裂,以便插入新的DNA片段取而代之。

  CRISPR使生物学比以往任何时候都更具有可编程性。甚至有业内人士宣称,生物学将是下一个伟大的计算平台:DNA是代码,CRISPR是编程语言。

  虽然还处于早期阶段,自最初发现CRISPR以来,其应用的领域迅速扩大。由于非常容易建立和使用,各个领域的研究人员都可以利用CRISPR,尤其是非动物相关领域。

  目前,监管机构对基因编辑作物几乎没有任何抵触情绪,比如美国农业部就一路大开绿灯。2016年,被改造成耐褐变的白色蘑菇成为第一个通过美国农业部批准的CRISPR编辑的有机体。

  从一个更广阔的视角看,基因编辑可以使种植更加高效,缓解全球粮食短缺等等。由于气候变化的影响,我们也急需使用CRISPR保护粮食和农产品免受新细菌的侵害,更加耐旱、耐涝、耐热、耐寒,携带更多的营养物质,可以保存更长时间等等。

  在动物研究领域,小鼠是哺乳动物中理想的实验对象。科学家多用其来研究如何定位疾病、缺陷基因以及如何消除它们。在CRISPR技术改造的“动物园”里,已经有了抗疟疾的蚊子、能精准控制颜色的锦鲤、能生不令人过敏鸡蛋的鸡、瘦肉更多脂肪更少的猪、快速生长的三文鱼……下一个目标会是谁呢?

  当然最具有争议的,无疑是编辑人类DNA的CRISPR实验。使用CRISPR进行人体治疗时,安全性是最大的问题。灾难性的结果之一是脱靶效应。虽然操作和效率都得到了提升,但CRISPR不能保证每次都准确匹配被剪断的基因,DNA损伤修复的时候也可能出现意外。就像出轨的列车,单个基因编辑可能导致基因组中其他地方发生意外,导致组织异常生长。

  另一个问题是马赛克生成的可能性。在CRISPR治疗后,患者可以混合编辑和未编辑的细胞,即“马赛克”。随着细胞不断分裂和复制,一些细胞可能会被修复,而其他细胞则不会被修复,最后可能会引发患者免疫系统的不良反应。

  除了治疗,再进一步思考就会面临伦理的考验。与任何新技术一样,研究人员不确定CRISPR的整个影响范围。一般来说,每个基因有50%的机会被遗传给后代,但基因编辑却可以用来确保某种基因有更大的遗传几率。通过生态系统造成的多米诺骨牌效应是无法预测的。

  如果改造了一个人的皮肤、大脑、肌肉等细胞,会不会传递给后代?会不会修改生殖细胞(卵子或精子),选择我们想要遗传给后代的基因?如果未来我们知道了每个基因的作用和位置,按照这种逻辑,父母会不会想要“设计”一个完美的孩子?身高、肤色、性格和智商?

  当技术可以改变生命法则时,其影响是深远的。我们唯一可以确定的是人类已经开始了对终极的探索,没有人知道这辆高速列车将会驰向何方。

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