全新基因編輯技術引發研究領域巨變

　　 美國舊金山格萊斯頓研究所遺傳學家Bruce Conklin一直試圖找到DNA變異如何影響不同的人類疾病，但使用的工具有些笨重。當他研究來自病人的細胞時，很難知道哪個序列對疾病來說很重要，哪些只是背景噪音。同時，將突變植入細胞是一項昂貴且費力的工作。

　　2012年，他通過閱讀了解到一項最新發表的、被稱為CRISPR的技術。它能使研究人員快速改變幾乎任何生物體的DNA，包括人類。此后不久，Conklin放棄了此前為疾病建立模型的方法，轉而采用這項新技術。目前，他的實驗室正在狂熱地改變同各種心臟疾病相關的基因。“CRISPR正帶來翻天覆地的變化。”Conklin說。

　　這種情感被廣泛共享：CRISPR正在生物醫學研究領域引起一場巨變。不像其他基因編輯手段，它使用起來廉價、迅速且簡單，并因此席卷全球實驗室。研究人員希望利用它調整人類基因以消除疾病，創造生命力更加頑強的植物，并且消滅病原體。“自從事科研以來，我經歷過兩次大的發展。”康奈爾大學遺傳學家John Schimenti表示，像在1985年被發明后使基因工程領域發生革命性變化的基因擴增方法——PCR一樣，“CRISPR正通過如此多的方式影響生命科學”。

　　不過，盡管CRISPR前途大好，但一些科學家擔心，這個領域極快的發展步伐幾乎沒有為解決類似試驗可能引發的倫理和安全問題留出時間。當今年4月關于科學家利用CRISPR改造人類胚胎的新聞曝出時，該問題被推到了聚光燈下。雖然他們使用的胚胎無法使嬰兒安全出生，但這項報道引發了關于是否以及如何使用CRISPR使人類基因組產生可遺傳的變化的激烈爭辯。同時，還有其他的顧慮存在。比如，一些科學家擔心，接受過基因編輯的生物體會擾亂整個生態系統。

　　引發研究革命

　　長久以來，生物學家一直在利用分子工具編輯基因組。大約10年前，他們因一種有望精確且高效地編輯基因、被稱為鋅指核酸酶的酶而興奮不已。不過，馬薩諸塞州布蘭迪斯大學分子生物學家James Haber表示，需要花費5000多美元才能訂購到的鋅指并未被普遍采用，因為它們很難進行基因改造且花費頗高。CRISPR卻大不相同：它依靠一種利用引導性RNA分子將其導向目標DNA、被稱為Cas9的酶，然后編輯DNA以擾亂基因或插入想要的序列。通常，研究人員需要訂購的只是RNA片段，其他成分都是現成的。全部花費只有30美元。“這使得該技術走向大眾化，因此每個人都在使用它。”Haber說，這的確是一場巨大的革命。

　　CRISPR方法正快速超越鋅指核酸酶和其他編輯工具。對一些研究人員來說，這意味著要放棄曾花費數年來完善的技術。“我很郁悶。”英國韋爾科姆基金會桑格學院研究所遺傳學家Bill Skarnes說，“但又很興奮。”Skarnes在自己職業生涯的大部分時間都在使用上世紀80年代引入的一項技術：將DNA插入胚胎干細胞，然后利用這些細胞產生轉基因小鼠。這項技術變成實驗室的主力，但同時耗費時間且非常昂貴。CRISPR所需時間很少，因此Skarnes在兩年前采用了這項技術。

　　研究人員傳統上嚴重依賴諸如小鼠、果蠅等模式生物。目前，CRISPR使在更多生物體中編輯基因成為可能。例如，今年4月，馬薩諸塞州懷特海德生物醫學研究所研究人員的報告稱，利用CRISPR研究了白色念珠菌。這是一種在免疫系統減弱的人群中尤其具有致死性但一直很難在實驗室中進行基因操控的真菌。來自加州大學伯克利分校的CRISPR技術先驅Jennifer Doudna正在記錄被CRISPR改變的生物清單。截至目前，她已擁有近40個條目，包括致病寄生蟲——錐體蟲和被用來制造生物燃料的酵母菌。

　　然而，快速的進步有著自身的弊端。“人們根本沒有時間描述這個系統中一些最基本參數的特征。”加州大學舊金山分校生物物理學家Bo Huang說，“現在有這樣一種心態，即只要它能發揮作用，我們就不需要理解它是如何以及為何發揮作用的。”這意味著研究人員偶爾會遇到故障。Huang和他的實驗室奮斗了兩個月，使CRISPR適用于成像研究。他懷疑，如果對如何使引導性RNA的設計最優化了解得更多，耽擱的時間會更少。

　　獲得廣泛應用

　　去年，麻省理工學院生物工程學家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一個同人類代謝性疾病相關的突變tyrosinaemia。這是首次利用CRISPR在成年動物體內修正致病突變，并且是將該項技術用于人類基因療法的一個重大進步。

　　在科學和生物技術圈，CRISPR能加快基因治療領域發展的想法是一個主要的興奮點。不過，在凸顯潛力的同時，Anderson的研究還展現了真正應用這項技術還有多遠的路要走。為將Cas9酶和其引導性RNA送入目標器官——肝臟，該研究團隊不得不用泵將通常被認為在人體內不宜存在的大量流體送入血管。試驗僅在0.4%的細胞中修正了致病突變，而這并不足以對很多疾病產生影響。

　　過去兩年里，一些公司如雨后春筍般出現，開發基于CRISPR的基因療法。Anderson和其他人表示，此類療法的首次臨床試驗會在接下來的一到兩年內進行。這些首批試驗或許將勾勒出CRISPR的應用場景，即CRISPR成分能被直接注入眼睛等器官，或者細胞能從人體移除并在實驗室中進行基因改造后被放回體內。例如，形成血液的干細胞可能被修正用于治療諸如鐮狀細胞性貧血癥或β-地中海貧血等疾病。雖然將酶和引導性RNA送入很多其他組織將是一項更大的挑戰，但研究人員希望有一天這項技術能被用于解決更廣范的遺傳疾病。

　　在Anderson和其他人正在瞄準修正人類細胞內的DNA時，一些人將目光投向了農作物和牲畜。在基因編輯技術出現前，這往往是通過將基因插入基因組中隨意位置實現的，連同基因一起的還有來自細菌、病毒或其他物種驅動基因表達的序列。不過，這個過程效率很低，并且總是成為討厭來自不同物種的DNA混合在一起或擔心這種插入會擾亂其他基因的批評人士的素材。更重要的是，獲得轉基因作物使用批準非常復雜且花費頗高，以至于接受基因修正的都是大型大宗商品作物，比如玉米和大豆。

　　有了CRISPR，形勢將發生改變：快捷和低成本或許會使基因編輯成為較小型特殊作物和動物的一個可行選擇。過去幾年間，研究人員利用該方法對小型豬進行了基因改造，并且獲得了抗病小麥和水稻。他們還在通過基因改造獲得沒有角的牛、抵抗疾病的山羊和富含維生素的甜橙等方面取得進步。

　　生態系統或被改變

　　除了農業，研究人員正在考慮CRISPR如何能被或者說應當被用于野外的生物體。大部分注意力集中在一種被稱為基因驅動的方法上，因為它能迅速將被編輯基因在整個種群中傳播。這項工作正處于起步階段，但類似技術能被用于消滅攜帶疾病的蚊子或蜱蟲，清除入侵植物或消除使一些美國農民飽受折磨的豬草中的除草劑抗性。

　　不過，很多研究人員非常擔心，改變整個種群或將其全部清除會對生態系統產生無法預知的災難性后果：這可能意味著其他害蟲會出現，或者影響食物鏈上處于較高位置的捕食者。他們還擔心，引導性RNA會隨著時間的推移發生突變。隨后，這種突變將席卷整個種群，產生始料未及的影響。

　　“這種方法不得不擁有相當高的回報，因為它具有不可逆轉的危險和給其他物種帶來的意料之外或很難預估的后果。”哈佛醫學院生物工程師George Church表示。2014年4月，Church和一組科學家及政策專家在《科學》雜志上撰寫了一篇評論文章，警告研究人員試驗性基因驅動意外泄漏帶來的風險，并且提出了防止此事發生的方法。

　　當時，基因驅動看上去還是一個遙遠的前景。然而，不到一年后，加州大學圣地亞哥分校發育生物學家Ethan Bier和他的學生Valentino Gantz報告稱，他們在果蠅中設計出類似系統。Bier和Gantz利用3層的箱子容納果蠅，并且采用了通常用于研究攜帶瘧疾的蚊子的實驗室安全舉措。不過，他們并未遵循上述評論文章作者極力推薦的所有指導原則，比如設計逆轉基因改造所致變化的方法。Bier說，他們正在開展首個原理性試驗，并且想知道該系統能否在變得更加復雜之前行之有效。

　　對于Church和其他人來說，這是一個明確的警告，即通過CRISPR開展的基因編輯的大眾化會產生無法預料和不想看到的結果。麻省理工學院政治學家Kenneth Oye說：“我們需要更多的行動。”美國國家研究委員會已經形成專家組探討基因驅動，其他高級別商討也正在開始進行。不過，Oye擔心，科學正在以閃電般的速度向前發展，而監管上的改變可能只在基因驅動泄漏事件受到關注后才會發生。

　　然而，該問題并不是非黑即白。得州農工大學昆蟲生態學家Micky Eubanks表示，基因驅動的提法最初讓他大吃一驚。“我最初本能的反應是‘我的天，這太恐怖了。它是如此的令人恐懼’。”Eubanks說，但當你再考慮一下，并將其同人類已經造成并且將繼續造成的環境改變作下權衡，會發現它只不過是滄海一粟。