CRISPR并不完美，有脫靶、難以實(shí)現(xiàn)單堿基精確編輯之類(lèi)的缺憾。大家期待更好的技術(shù)，一批生物學(xué)家也在CRISPR的榜樣激勵(lì)下另辟蹊徑，暗中競(jìng)賽。

基因組編輯或許是今年最火熱的科學(xué)概念，不僅因?yàn)镹gAgo技術(shù)爭(zhēng)議受人矚目，也因?yàn)榛蚪M編輯造福人類(lèi)的潛能，超過(guò)任何一種現(xiàn)代生物技術(shù)。在這一領(lǐng)域前沿，中國(guó)科學(xué)家舉足輕重。日前舉行的中國(guó)科協(xié)114期新觀點(diǎn)新學(xué)說(shuō)學(xué)術(shù)沙龍上，全國(guó)一流的基因組編輯研究者，討論了這一新技術(shù)興起將帶來(lái)的沖擊。

微生物的剪刀，被人類(lèi)拿來(lái)“咔嚓咔嚓”

CRISPR一次成本也就兩美元，而且它上手簡(jiǎn)單，找個(gè)聰明的高中生到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)幾個(gè)星期也可以學(xué)會(huì)，就像在電腦上編稿子一樣。

中國(guó)科協(xié)的學(xué)術(shù)沙龍上，所有專(zhuān)家熱衷的技術(shù)就是CRISPR。CRISPR本來(lái)是微生物為保護(hù)自己演化出來(lái)的本領(lǐng)。這一系統(tǒng)存在于細(xì)菌體內(nèi)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它可以尋找和清除病毒基因：細(xì)菌把病毒基因的一小段存儲(chǔ)到自身DNA里一個(gè)叫CRISPR的存儲(chǔ)空間；再次遇到病毒入侵，細(xì)菌根據(jù)存寫(xiě)的片段識(shí)別，切斷病毒DNA。

盡管利用細(xì)菌免疫系統(tǒng)來(lái)編輯基因，并非始于CRISPR。但科學(xué)家掌握了對(duì)蛋白Cas9的操作技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物在RNA指導(dǎo)下定向?qū)ふ夷繕?biāo)DNA序列然后切除之的效率是最高的。而且對(duì)多種目標(biāo)細(xì)胞都有效。

在CRISPR之前，ZFN（鋅指核酸內(nèi)切酶）和TALEN（類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶）是最為人稱道的兩種基因組編輯技術(shù)，大家也用它們?cè)跀M南芥、斑馬魚(yú)和許多生物上做了實(shí)驗(yàn)。但CRISPR一蹦出地平線，前兩者相形失色。

ZFN和TALEN實(shí)驗(yàn)要花費(fèi)成千上萬(wàn)美元，但CRISPR一次成本也就兩美元。而且它上手簡(jiǎn)單，找個(gè)聰明的高中生到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)幾個(gè)星期也可以學(xué)會(huì)，就像在電腦上編稿子一樣。CRISPR技術(shù)迅速蔓延，覆蓋生物學(xué)界。在各國(guó)實(shí)驗(yàn)室里，喜得了CRISPR這把微生物賜予的好剪刀，科學(xué)家興奮地埋頭在實(shí)驗(yàn)室里“咔嚓咔嚓”，裁剪他們心儀的生命密碼。

生物學(xué)家喊“萬(wàn)歲”，但仍想超越CRISPR

CRISPR并不完美，有脫靶、難以實(shí)現(xiàn)單堿基精確編輯之類(lèi)的缺憾。大家期待更好的技術(shù)，“貪婪”地盯著任何可能成為“第四代”的好工具。

2012年來(lái)，科學(xué)家將CRISPR廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)植物，用來(lái)研發(fā)新動(dòng)物品種充當(dāng)人類(lèi)疾病研究模型，還用來(lái)直接修復(fù)基因治療人類(lèi)遺傳病，四處開(kāi)花。

CRISPR這么好用，難怪有學(xué)者喊出“CRISPR萬(wàn)歲”，但也不是沒(méi)有人挑戰(zhàn)它。

20世紀(jì)70年代研究者用大腸桿菌和酵母中的酶去編輯基因，也叫基因打靶，是第一代基因組編輯技術(shù)；隨后是比它更高效、更普適的第二代基因組編輯技術(shù)；第三代基因組編輯技術(shù)CRISPR重組率高了許多，而且可做到無(wú)痕編輯。會(huì)不會(huì)有第四代呢？

CRISPR并不完美，有脫靶（目標(biāo)是修改某一段基因，結(jié)果同時(shí)修改了另一段）、難以實(shí)現(xiàn)單堿基精確編輯之類(lèi)的缺憾。大家期待更好的技術(shù)，“貪婪”地盯著任何可能成為“第四代”的好工具；一批生物學(xué)家也在CRISPR的榜樣激勵(lì)下另辟蹊徑，暗中競(jìng)賽。其中NgAgo就曾被寄予厚望，盡管后來(lái)被許多人稱之為無(wú)法重復(fù)。仍有不少學(xué)者堅(jiān)持聲稱超越CRISPR的技術(shù)是遲早的事。

比如今年9月15日，中國(guó)南京大學(xué)發(fā)表了一項(xiàng)成果，用結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的內(nèi)切酶實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外DNA任意序列的靶向和切割。這個(gè)新工具在科協(xié)學(xué)術(shù)沙龍上被行內(nèi)專(zhuān)家稱道，認(rèn)為有較大的優(yōu)化空間。

另一方面，較早的ZFN和TALEN也不能說(shuō)被打敗，還有改進(jìn)版技術(shù)推出，也陸續(xù)有成果發(fā)表。

讓CRISPR更抓人眼球的，是今年為爭(zhēng)奪CRISPR的專(zhuān)利權(quán)，幾家實(shí)驗(yàn)室大打官司，互相詆毀，誰(shuí)能笑到最后尚未可知。但毫無(wú)疑問(wèn)，基因組編輯技術(shù)鋪就了一條金光大道。如果一項(xiàng)同樣好用的新技術(shù)能打破壟斷，對(duì)生物學(xué)家和消費(fèi)者都是好事。

希望之光，“不治之癥”有救了？

CRISPR技術(shù)能很有效地改造人類(lèi)胚胎，當(dāng)然也引起了“用基因組編輯技術(shù)來(lái)量身訂作完美嬰兒”的倫理憂思。科學(xué)家表示：為了病人的需要，這些實(shí)驗(yàn)有必要進(jìn)行，但是必須謹(jǐn)慎進(jìn)行。

“基因組編輯對(duì)消費(fèi)者的好處，典型例子就是：有些病原先治不好，現(xiàn)在可以治好了?！北本┐髮W(xué)研究員魏文勝在科協(xié)學(xué)術(shù)沙龍上說(shuō)。

近一年來(lái)基因組編輯應(yīng)用于醫(yī)療的喜訊不斷：有醫(yī)生利用經(jīng)ZFNs基因組編輯技術(shù)改造的細(xì)胞株，成功治愈了一個(gè)小女孩的“不治之癥”——急性淋巴細(xì)胞性白血?。贿€有實(shí)驗(yàn)室報(bào)告CRISPR可以治療利伯先天性黑朦病，一種遺傳性視力衰退疾?。灰灿袌F(tuán)隊(duì)利用ZFNs技術(shù)定點(diǎn)改造免疫細(xì)胞的CCR5基因，企圖讓人免于感染艾滋病。

另外，2015年中國(guó)科學(xué)家用基因組編輯清除了細(xì)胞中的乙肝，為克服這一頑疾闖出了一條新路。

CRISPR技術(shù)能很有效地改造人類(lèi)胚胎，當(dāng)然也引起了“用基因組編輯技術(shù)來(lái)量身訂作完美嬰兒”的倫理憂思。從現(xiàn)在技術(shù)進(jìn)步的速度，醫(yī)生會(huì)具備這樣的能力。但醫(yī)學(xué)倫理未必會(huì)容忍他們做這樣的實(shí)驗(yàn)。

不久前，瑞典生物學(xué)家弗雷德里克?蘭納團(tuán)隊(duì)用CRISPR技術(shù)精準(zhǔn)改造了胚胎DNA做出了精準(zhǔn)改變，目標(biāo)是剛受精幾天、還處于發(fā)育早期的人類(lèi)胚胎。蘭納使胚胎中的基因失去活性，以了解它們?cè)谠缙诎l(fā)育中發(fā)揮什么樣的作用，希望理解不孕不育和流產(chǎn)的原因。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被批準(zhǔn)但仍引起反對(duì)。

2015年，中山大學(xué)副教授黃軍就編輯人類(lèi)胚胎的β地中海貧血癥相關(guān)基因，引起世界關(guān)注。后來(lái)中國(guó)另一個(gè)團(tuán)隊(duì)也嘗試編輯人類(lèi)胚胎以抵御艾滋病毒感染。以上實(shí)驗(yàn)使用的是缺陷胚胎：由于接受兩個(gè)精子包含了一組多余的染色體而不能正常發(fā)育。雖然實(shí)驗(yàn)獲得批準(zhǔn)，但事后仍有一個(gè)中美聯(lián)合討論會(huì)議為此舉辦，表現(xiàn)了科學(xué)界對(duì)實(shí)驗(yàn)倫理的謹(jǐn)慎。而在科協(xié)的學(xué)術(shù)沙龍上，相關(guān)科學(xué)家表示：為了病人的需要，這些實(shí)驗(yàn)有必要進(jìn)行，但是必須謹(jǐn)慎進(jìn)行。

剪掉“壞片段”，制造更怡人的農(nóng)作物

如果僅有一段DNA序列被剪掉，沒(méi)有外來(lái)DNA插入，這種突變與天然突變并無(wú)區(qū)別。美國(guó)農(nóng)業(yè)部已表示基因組編輯農(nóng)作物不是轉(zhuǎn)基因，不需要監(jiān)管，可進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程。

新的基因組編輯技術(shù)，讓植物育種變得更簡(jiǎn)單了。比起治療絕癥，更優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品可能會(huì)是基因組編輯帶給普通人的第一項(xiàng)福利。

如果僅有一段DNA序列被剪掉，沒(méi)有外來(lái)DNA插入，這種突變與天然突變并無(wú)區(qū)別，那就不是轉(zhuǎn)基因生物。這可能意味著種植基因組編輯的植物不用批準(zhǔn)。美國(guó)農(nóng)業(yè)部已表示基因組編輯農(nóng)作物不是轉(zhuǎn)基因，不需要監(jiān)管，可進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程。如2016年，美國(guó)種植了基因組編輯的蘑菇。使用CRISPR技術(shù)剪掉了讓香菇變褐色的DNA。新式香菇?jīng)]有導(dǎo)入外來(lái)基因，而是剔除掉“壞片段”，因此不算轉(zhuǎn)基因食品，規(guī)避了相關(guān)的麻煩。

不僅是地里長(zhǎng)的東西可以被編輯基因。美國(guó)一支團(tuán)隊(duì)用CRISPR改造的酵母菌，得到了牛奶中的酪蛋白，從而生產(chǎn)出非動(dòng)物來(lái)源的奶酪。改造的酵母菌還有希望用來(lái)改善啤酒的口味。

在科協(xié)學(xué)術(shù)沙龍上，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授陳其軍列舉了一系列美國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)不受監(jiān)管的基因組編輯加以改良的作物：小麥、水稻、糯玉米、蔬菜、蘑菇、卷心菜……這份名單會(huì)越拉越長(zhǎng)。而經(jīng)過(guò)基因組編輯的馬鈴薯、玉米等很快會(huì)在美國(guó)上市。陳其軍認(rèn)為，基因組編輯農(nóng)作物是否能推廣，要看各國(guó)監(jiān)管的寬松程度。

“新的基因組編輯技術(shù)可以提供一個(gè)非常自由的平臺(tái)。生物學(xué)家的空間非常大?！敝锌圃簞?dòng)物所研究員王皓毅在科協(xié)沙龍上說(shuō)，“相比于美國(guó)頂尖實(shí)驗(yàn)室，我們的執(zhí)行力弱可能是一個(gè)困難。”

大北農(nóng)公司的專(zhuān)家楊進(jìn)孝也在會(huì)上表示，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行力比較弱的原因，是實(shí)驗(yàn)人員多為學(xué)生，面臨畢業(yè)問(wèn)題。他認(rèn)為，企業(yè)應(yīng)該通過(guò)服務(wù)的方式參與進(jìn)來(lái)，這有利于中國(guó)科學(xué)家專(zhuān)心做技術(shù)。