基因黑客张锋!讲述CRISPR背后不为人知的故事

《纽约客》长文记录了强大的基因编辑工具CRISPR,并讲述了华人生物学家张锋,以及基因编辑技术的历史、科学、专利争议和伦理纷争等不为人知的故事。
134岁的张锋是哈佛-麻省理工布罗德研究所(Broad Institute of Harvard and M.I.T)最年轻的核心成员,也是成就最大的人之一。1999年,张锋还在得梅因市上高中时,就已经找到了一个能够防止逆转录病毒(如HIV)感染人体的结构蛋白。这个蛋白让他赢得了英特尔科学奖(Intel Science Talent Search)的三等奖,并获得5.5万美金的奖励。他用这笔钱作为学费,完成了哈佛大学的学业。在哈佛,他学习了化学和物理学。2009年,他从斯坦福大学获得博士学位时,已经转换了方向,帮助创立了光遗传学(机器之心曾编译过《纽约客》对光遗传学的万字介绍,其中也有相当篇幅提到张锋的工作),这是一个强大的新学科,允许科学家用光来研究单个神经元的行为。 [caption id="attachment_6684" align="aligncenter" width="869"]CRISPR强大的基因编辑能力将为医疗行业开启一扇全新的大门。图/Todd St. John CRISPR强大的基因编辑能力将为医疗行业开启一扇全新的大门。图/Todd St. John[/caption] 张锋决定成为一名生物工程师,想要创造出修复破损基因的工具,而这些破损的基因正是导致人类诸多棘手疾病的罪魁祸首。接下来的一年,他作为学者学会(Society of Fellows)的一员,回到了哈佛大学,成为了首位使用类转录激活因子效应物(TALE)的蛋白模块来控制哺乳动物基因的科学家。TALE可以替代转录激活因子样效应器。关于TALE,一名分子生物学家曾写道:「想象一下,假如你能操控DNA上的某个特定区域……几乎就像改错字一样简单。」接着,他总结道,尽管这种进展「有可能永远不会发生」,但是这种新技术已经是目前科学家所能做到的极致了。 29岁时,张锋受邀到哈佛布罗德研究所组建自己的实验室,那时他已经给全球数千个实验室都在使用的基因工具箱贡献了两个关键的组件。他到来的第二天,就参加了一次会议,会上有人提到在某些细菌的DNA上发现了一个被称为CRISPR序列的奇特序列。 「我当时从来没听过这个词,所以我去google了一下。」张锋说。当时我们在张锋的办公室聊天,从办公室窗户望出去能看到查尔斯河和灯塔山。张锋留着个西瓜头,方形的金属框眼镜把他的脸衬得更圆,张锋把能找到的所有论文都读了一遍,5年后,他依然惊讶于当时找到的东西。他发现,CRISPR是一串奇妙的DNA序列,能够识别出入侵的病毒,然后派出一种特殊的酶把病毒切成碎片,并用病毒剩下的残渣形成一种初级免疫系统。这段序列是一串从正反两个方向读都排列都相同的核苷酸序列,很像摩尔斯电码,一系列短线被偶然出现的点分隔开。这个系统有个拗口的名字:短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats),但缩写CRISPR却很好记。 [caption id="attachment_6697" align="aligncenter" width="1348"]张锋 张锋[/caption] CRISPR有两个组成部分。第一个部分从本质上说是一个剪切DNA的「手术刀 」。另一个部分由RNA(基因组中传递生物信息时最常用的分子)组成,它像一个向导,指导着「手术刀」在成千上万的基因中搜寻,直到「手术刀」精确定位到它需要剪切和修复的那段核核苷酸序列。19世纪,路易·巴斯德( Louis Pasteur)对进行了一系列微生物病理实验,从那时起,人们就清楚地知道人类等脊椎动物具有适应新威胁的能力。但是,很少有科学家意识到,单个细菌细胞也有可能采用同样的方法,抵御外来侵略。张锋听说 CRISPR的第二天便飞往佛罗里达参加一个基因学术会议。他并没有出席会议,而是在酒店里不停地用Google搜索相关信息。他说:「我就那么坐着,读了我能找到的所有关于 CRISPR的论文,我越读越兴奋。」 没过多久,张锋和其他科学家便意识到,如果大自然能把这些分子变成基因界的「全球定位系统」,那我们也同样可以。研究者很快学会了如何合成向导RNA,并对它们进行编码,以便将其运运送到每个细胞中去。一旦酶锁定匹配的DNA序列,它就能精确地剪切和粘贴核苷酸,其精确度几乎与word中的「查找替换」功能相当。张锋告诉我:「这个发现太重要了,简直令人难以置信。它开启了一系列会改变基因研究的新实验。」 有了 CRISPR,科学家就能改变、删除和替换任何动物身上的基因,包括人类。在小鼠身上,研究者已经使用这个工具修正了一些致病的基因错误,例如镰状细胞性贫血、肌肉萎缩症以及与囊性纤维化的基因缺陷。有团队用它替换掉了引发白内障的变异;还有团队用它破坏了HIV用来渗入免疫系统的受体。

(以下视频是 CRISPR-Cas9技术的原理介绍,由张锋亲自参与制作。字幕由机器之心翻译出品)

同样,CRISPR为生物圈带来的潜在影响也极为深远。去年,中国基因学家高彩霞带领的团队删除了一个小麦基因的3种复制版本,从而创造出了完全抗白粉病的植株,而白粉病正是全世界最普遍的枯萎病之一。9月,日本科学家用这个技术关闭了控制西红柿成熟速度的基因,从而延长了西红柿的寿命。农业研究者希望,这种提高产量的方法不要像转基因生物那样备受争议,转基因则是需要将外来DNA插入我们所吃的许多食物的基因中。 该技术还让人们能以一种全新的方式来研究复杂的疾病。在众所周知的疾病中,只有少数是由单个基因缺陷所引起的,例如亨丁顿舞蹈症和镰状细胞性贫血。而绝大多数极具破坏性的疾病,大都是由数百个基因的不断动态变化而引发,例如糖尿病、自闭症、阿兹海默症和癌症。理解这些联系的最佳方法就是在在动物模型身上进行测试,这种试错过程会花费很多年的时间。而CRISPR则可确保该过程更简单,更精确,且以指数级的速度进行。 不可避免地,该技术也会让科学家纠正人类胚胎中的基因缺陷。虽然,任何一点改变都会影响整个基因组并最终遗传给子孙后代。通过这项技术,我们极有可能完成祖先未尽的事业:科学家重写生命基础代码以及影响后代的基因序列。对「充满人造人的反乌托邦世界的未知恐惧」长久以来成为批判科学进步的标准论调。然而并不是因为J. Robert Oppenheimer意识到他原本发明用来保护世界的原子弹实际上却破坏了世界,我们就认为科学家该为技术的不良使用而负责。 过去一个世纪以来,生物学一直试图回答以下三大基本问题:每个基因是干什么?我们如何发现导致疾病的基因变异?以及我们怎样克服它们?CRISPR诞生后,我们就有了答案,我们正在接近一种遗传学的大一统理论。「我不确定黄金时代是什么样子,」某天,在实验室张峰研究团队一员Winston Yan告诉我,「但是我认为我们已经置身其中。」 2自1953年 James Watson和 Francis Crick发现DNA的螺旋结构起,生物学的核心目标便是致力于理解不同人类和不同物种之间四种碱基(A、T、C、G)如何转移和排列。CRISPR并不是第一个帮助科学家追逐这一目标的系统,但是它是第一个任何人只要有基本技术和几百美元的设备就能使用的系统。 「CRISPR是基因学界的Model T(福特历史上的传奇车型),」斯坦福法律与生物科学中心主任Hank Greely一见到我就说,「Model T不是第一辆汽车,但是它改变了我们驾驶、工作和生活的方式。CRISPR让一个复杂的过程变得廉价易用。它非常精确。基因编辑的历史是分子生物学史上最重要的一部分。」 科学家在20世纪70年代初期迈出了控制基因的第一步,当时他们知道可以使用被称为「限制性内切酶」的蛋白质来剪切DNA链。突然,自然界中从来不会见面的生物体基因在实验室中被连接起来了。但是最初的工具比之「手术刀」更像一把柴刀,因为在人类浩瀚的基因组中,它们只能识别出很短的序列且编辑并不精确。(想象一下在莎士比亚所有的著作中,只用「to be」作为关键词来搜索哈姆雷特的自杀独白,你要翻阅数百个无关段落之后才能找到那一段。) 2001年,人类基因组计划的第一份草图出版时不出所料地颠覆了我们对生命的理解。图谱帮助研究者将数千种基因与特定的疾病关联起来,包括数百种引起特定癌症的基因。然而,要了解这些基因在疾病进化中所起到的作用并修复它们,科学家需要有组织地以各种方式打开和关闭基因。虽然直到最近,修改一个基因仍旧需要花费数月或数年时间。 随着偶然发现的锌指蛋白(类似CRISPR群的一系列分子工具)的广泛使用,事情开始转变。1985年,科学家研究了非洲爪蛙的基因,发现其DNA周围缠绕着一种手指状的蛋白质。他们很快就研究出如何将这种缠绕蛋白与DNA剪切酶结合使用的方法。20年之后,遗传学家开始使用由细菌分泌蛋白质组成的TALE操纵DNA,但是这两种基因方法都非常昂贵且繁琐。甚至连发表了使用TALE改变哺乳动物基因的第一篇报告的张锋都认为该系统只是一个临时方法。「它太难用了,」他告诉我,「我在实验开始前不得不指派一个研究生专门制备蛋白质并测试。步骤十分麻烦。」 3张锋对科学的痴迷始于初中时代,那时他妈妈督促他参加一个分子生物学的周末课程班。「我当时才13岁,还不知道分子生物学是啥,」从MIT校园走到大脑与认知科学系五十周年庆祝活动会场的路上,张锋说道,「它确实启发了我的想象力。」他的父母都是工程师,张锋十岁那年他们全家搬到了爱荷华州。他们在那里住了很久,因为父母认为在美国与在中国相比,张锋能接受到更好的教育。 1997年,张锋15岁的时候,获得了在得梅因人类基因治疗研究所生物安全实验室向实习的机会,但是却因为未满16岁而不能去工作。「所以我只能等,」他说。在他16岁生日那天,他去了实验室,见到了那些科学家。「我被指派给一个拥有化学博士学位的分子生物学家,」他继续说,「他对科学充满热情,他对我和我的研究影响很大。」第一天,张锋在实验室呆了五个小时,从那以后直到毕业,每天放学后他都会在实验室呆上五个小时。 张锋非常内向,而且声音低沉会让人昏昏欲睡。我问他是否认为自己是个温和的人(这是一种与获奖的分子生物学家不相符的性格)。「你参加过我们实验室的会议吧?」那天早上,我赶上了张锋主持的团队会议的尾声。他绅士而无情地批评了团队另一个人给出的报告。当我碰到另外一个参会人员时,他说:「那没什么,你要是从一开始就参加,会见得更多。」

(以下视频是张峰获得NSF(美国国家科学基金会)艾伦·沃特曼奖(Alan T. Waterman Award)时的采访视频。该奖项是为了奖励年轻的科学家和工程师而设立。他在其中介绍了自己的研究方向。字幕由机器之心翻译出品。)

[embed]http://v.qq.com/iframe/player.html?vid=w0162ft6oit&width=500&height=375&auto=0[/embed] 在他的周末培训课上,张锋学会了如何从细胞中提取DNA以及确定每个序列的长度。但是这不是他记忆最深刻的地方。「他给我们放了《侏罗纪公园》,」他的声音抬高了一点点。「电影实在太精彩了。老师向我们解释了电影中不同的科学概念,它们看起来都似乎切实可行。」 我们去了鸡尾酒会,这通常是穿卡其裤的男人和穿高跟鞋的女人碰出不愠不火的风流韵事的地方。张锋仅呆了20分钟就离开直接回实验室了。他一直关注认知科学领域,因为他希望他的研究能够帮助神经科学家更深入地研究大脑。他告诉我他年轻的时候有个患有严重抑郁症的朋友,他惊讶地发现竟然没有可用的治疗方法。这激起了他对心理学长久的兴趣。「当你沮丧的时候,你就是生病了。」他说,「虽然这仍旧是个偏见,但是许多人都在饱受类似问题的困扰,我们却无能为力。大脑仍旧是宇宙中最神秘的地方。」 42003年,布罗德研究所成立,由企业家埃利·布罗德和他妻子伊迪萨出资建立,旨在资助研究生命分子组成以及与疾病的关系。在张锋的实验室里,我讲述了CRISPR编辑基因的机制。「我们需要能够在基因组中的精确地切断DNA,」他一边说,我一边看着他工作。他转了下椅子,指着装有待分析和编辑的DNA的瓶子。Yan瘦瘦的,戴着一副眼镜,手上戴着黑色实验手套和白色Apple Watch。他拍手耸肩,表示所有的事就是这么简单。 [caption id="attachment_6737" align="aligncenter" width="1920"]Winston Yan Winston Yan[/caption] 订购编辑DNA的基因组件并不像在亚马逊的Zappos上买双鞋那么简单,但其实可向那个方向发展。Yan打开电脑,填写着一家名为DNA整合技术公司(Integrated DNA Technologies,IDT)的订购单。这家公司主要提供合成生物分子组件的服务。「可以在网上下单。合成一条序列通常一两天就能拿到。」他说道。研究人员可以上网订购各种生物分子组件,包括DNA、RNA以及其他所需试剂。你可以买到合成脊髓灰质炎病毒(已被实现)的部件或者能让粪便闻起来有冬青味的基因组件。在剑桥,这家公司通常可以当天送货。另一个机构Addgene成立于十年前,是一家非盈利的序列库,储存着成千上万现成的序列,包括几乎所有在CRISPR技术中用于编辑基因的向导RNA序列。布罗德研究所及其他机构的研究人员每合成一个新的向导RNA,都会向Addgene提供一个复制版。 CRISPR有一条包含20个碱基的RNA,它引导分子「手术刀」精准定位到靶点。人类有2万个基因,20个碱基在一个基因中所占的比例相当于一个人在全美人口中所占的比例。CRISPR在定位到特定基因方面虽然优于其他系统,但并非完美,有时也会剪切错误。Yan想从Addgene订一个现成的探针。拿到这个探针之后,他会将其与剪切酶配对,然后靶向特定基因。 在加入张锋实验室之前,Yan就被称为「CRISPR狂热者」。他补充道:「CRISPR已经改变了这个领域。许多年来在遗传学里有一种还原法,人们一厢情愿地以为会发现导致癌症或者使人更易患有心脏病的基因。但实际上并没有这么简单。」 5第二天早上,我来到布罗德研究所的新斯坦利大楼,乘电梯到顶层,然后将口袋掏空,戴上口罩,穿上实验服,套上靴子,然后穿过气室。气室用专用垫片密封起来,同时一台风机不断地往出口吹风以防外来微生物进入。我走进了一个生态缸,这是一条干净的长廊,像是研究单位和医院病房的结合。生态缸是去年开放的,这里有上千种小鼠以及世界上最为精密的监测设施。 虽然我们对人类细胞癌变机理的认识不断加深,但仍然无法在培养皿上研究突变。自20世纪90年代后期起,转基因小鼠一直作为标准替代物。虽然治愈或致死小鼠的因素不一定会在人类身上也有同样作用,但小鼠的基因组与人类的极其相似,且价格便宜易饲养。与人类和其他动物一样,小鼠也会患上影响免疫和大脑功能的复杂疾病。它们会患癌症、动脉粥样性硬化、高血压、糖尿病以及其他慢性疾病。小鼠每三周繁衍一代,这使得研究人员能一次性研究好几代。技术人员能从小鼠体内取出干细胞,然后在实验室中进行基因编辑,将这些编辑之后的干细胞放回小鼠体内产生胚胎,待其增殖分化后,研究这个基因在动物发育中的作用。过程一目了然,但总的来说一次只能研究一个基因的一个功能。 布罗德研究所的饲养园里养着一种完全不同的小鼠,它们的每个细胞内都携带着Cas9蛋白(Cas是CRISPR相关核酸酶(CRISPR-associated nuclease)的英文缩写)。Cas9是 CRISPR系统的一部分,它是一种酶,作用很像一把基因手术刀。当科学家最初开始用CRISPR编辑DNA时,他们必须同时注入Cas9蛋白和引导它的基因探针。一年前,张锋团队的另一个成员Randall Platt意识到,CRISPR系统可以被切成两部分。他将作为手术刀的酶植入小鼠胚胎,使它成为小鼠永久基因组的一部分。每当一个细胞分裂,Cas9酶都会随之进入新的细胞内。也就是说,他和他的同事创造出了一种容易编辑的小鼠。去年,他们发表了这项研究,解释了其中的方法。从那时候起,Platt将这个技术分享给了全世界一千多个实验室。 maxresdefault (3) 「Cas9鼠」成为了CRISPR战役中的第一个基本工具。由于可作为分子剪刀的酶已经存在于每个细胞中,科学家不再需要用向导RNA将它们放进去。他们可以同时派出多个基因探针,但只在他们想要研究的基因上引发突变。 为了论证一个在癌症研究领域有前景的应用项目,团队运用了Cas9小鼠来模拟肺腺癌,这是肺癌中最发病率最高的一种。早先一段时间,科学家们在研究动物模型时必须一次修正一个基因或采用杂交动物以产生携带所需改造基因的菌群。这每种过程都极具挑战并耗时许久。「现在我们在研究过程中如发现有价值的地方时,则可以直接在细胞中激活CRISPR,并以任何我们需要的方式编辑这个基因组,」Platt说道并向我展示了研究基地。我们步入一个可以俯瞰整个剑桥的小检测室,我看到一个研究人员将一个携带检测设备的Cas9小鼠放入生物安全柜。通过一个莱卡显微镜,她用一个精密的毛细血管枕头将一个单个细胞注射进小鼠的尾巴。 「如今我们有了自己的模型,」Platt说,并解释到小鼠刚刚接受了携带三种试样的注射,其中每一种都被编辑了他们认为与肺癌有关的突变基因。「这些细胞将会携带多种我们想要研究的突变基因。这绝对是一个具有革命性的进展。」 「过去,这些研究将耗时十年,并需要一个团队共同努力,」Platt 说。「正因为有了CRISPR,我一个人只需4个月就能完成。」九月份时,张锋在CellK刊物上发表了一篇报道,其阐述了另一种名为Cpf1的CRISPR蛋白质,它比起Cas9更小且更便于编辑。 该实验室采用类似的方法来研究孤独症。最近的试验表明某些精神疾病可以被亿万神经元中很少的一些紊乱神经元所引起。研究大脑神经元功能困难重重。但是通过在实验室的重塑研究,张锋的团队已经能够在与孤独症和精神分裂症相关的基因突变中找出其中相关的故障神经元并加以研究。 6随着基因测序价格的暴跌,美国的癌症诊所开始更加细致地研究病人的肿瘤。肿瘤之间几乎都不相同;有的可能带有5个突变,而有的可能带有15个,这意味着,从本质上说,每个癌症都是特别的、个人化的疾病。在 CRISPR可用之前,癌细胞中宽泛的基因突变常使人们很难研发出有效的治疗方法。 「我最喜欢 CRISPR的地方就在于,你可以取出任意一个癌细胞系,敲除每个基因,识别出每一个细胞的『阿基琉斯之踵』。」最近,布罗德研究所58岁的主管Eric Lander这样告诉我。Lander是人类基因组计划的一员,他说这是他所遇到过的最有前途的研究工具。他说:「你还可以用CRISPR来系统性地研究癌细胞逃脱治疗的方式。这使得我们可以绘制一张全面的癌症路线图。」 [caption id="attachment_6746" align="aligncenter" width="1200"]Eric Lander Eric Lander[/caption] Lander继续说,每种肿瘤的弱点都能够被一种药物攻克。但癌症细胞用多种方式躲避药物,为了成功,治疗方法需要将它们全部封锁起来。这种策略对类似艾滋的传染病来说已经证明了是行之有效的。「记着对艾滋的悲观情绪吧。」他说到,提到了早些年的艾滋横行时期,一旦诊断就意味着判了死刑。最终,病毒学研发出了一系列的药物,能够阻碍这种病毒繁衍的能力。疗法成功了,然而,只有当这些药物一同工作时,才能完整的切断这些病毒。 同样的方法成功应用于治疗结核病。Lander被说服了,它也能够治疗很多癌症的:「利用三药疗法」治疗艾滋病,「我们到达了一个拐点:我们输的很惨,但某天,突然我们就赢了。」 他站起身穿过办公室,走到书桌旁,指着墙上,描述着他对未来癌症治疗方法的愿景。他说:「将会有一张很大的图表,当然,是电子的,它会包括针对每一种癌症细胞的治疗方法——它们是如何形成的,你能打败它们的所有方法,它们能够逃之夭夭反败为胜的所有方法等等。当我们有了这张表时,我们就赢了。因为每一个癌症细胞都变得愚蠢。它不知道我们用什么在等着它们。传染病会有些不同;它们会随着它们的传播共享它们所知道的。随着它们从一个人迁移到另一个人身上,它们会从我们身上学到很多。但每个人的癌症将会变得愚蠢。这就是为何我们能够战胜它的原因。」 7发展任何如CRSPR这种复杂又有应用广泛的技术需要很多科学家投身其中。关于发现和许可权的专利斗争可谓是遍地开花。张锋,布罗德研究所和MIT现在就卷入了这样一起纠纷,与Jennifer Doudna和加州大学起了争执。Doudna是伯克利大学化学与分子生物教授。2012年时,她与在德国亥姆霍兹感染研究中心研究病原体的医学微生物学家Emmanuelle Charpentier及其领导的实验室一起第一次声称CRISPR可以编辑纯化DNA。他们的论文于当年6月发表。然而在2013年1月,张锋和同时供职于哈佛医学院及MIT的基因教授George Church发表了第一篇研究,声称CRISPR可以用来编辑人类细胞。现今,专利通常会授予第一个有记录的人——这种情况下,也就是Doudna和Charpentier。但张锋和博德研究所据理力争,认为早期关于CRISPR的成功并没有涉及该技术能够用于复杂生物,而这一点对科学家寻找治疗预防疾病的方式影响深远。 [caption id="attachment_6739" align="aligncenter" width="1920"]Jennifer Doudna Jennifer Doudna[/caption] 张锋被授予了这项专利,但加州大学要求官方重新进行评估,而最终裁决尚未明确。他和Doudna均跟我说这个官司让他们「分了心」,希望能早日摆脱。两者都保证将向研究员们免费开放所有的知识产权(他们也的确这么做了)。但两者也都涉及想要将CRISPR技术用于治疗方法的新公司,正如很多医药公司和其他寻利企业。 CRISPR研究这项事业正在经历着滚雪球式的发展:许多风投公司互相竞投数百万的资金,并且任何专利持有人都有权收取数额不菲的专利许可费。谁在这场竞争中占得先机,谁就能猛赚一笔。其他成果同样卷入其中,甚至可能包括诺贝尔奖(Doudna的支持者认为她是美国下一个女性诺贝尔奖获得者,这种宣传战似乎有点类似于电影学院奖颁奖季的氛围。)就在去年,国家科学基金会提名张峰最具成就奖,认为他的基础研究「指引了一个方向」,它可以用来消除精神分裂症、自闭症和其他脑科疾病。几个月后,Doudna 和 Charpentier每人收到三百万美元突破性进展奖。该奖项成立于2012年,由硅谷一些亿万富翁资助,每年颁发给取得科研突破成就的科学家。这两位女士因此出现在时代周刊年度世界最具影响力的名单上。 事实上,没有哪个研究团队是最早证实CRISPR,或第一时间去解释说明它的工作机制的。在1987年12月,日本大阪微生物疾病研究所的生物学家们发表了从普通肠道细菌——大肠杆菌中获得的一个基因DNA序列。在早期染色体研究时代,世界上数千所实验室曾开始尝试去勾画从果蝇到人类的广泛物种基因图谱。为了更好的理解这个特殊基因的功能,日本科学家对其周围的基因进行了测序。当他们分析完数据,惊讶地发现一个基因结构都没被识别出来:他们对于导致这些奇怪现象的原因毫无头绪,但他们在发表于《细胞学》杂志的报告最后总结强调了一点:这些基因序列的生物重要性尚未可知。 这个谜团一直持续到2005年。西班牙阿利坎特大学的微生物学家Francisco Mojica长期都在关注如何理解CRISPR,他于当年决定将其DNA跟数千个类似的DNA进行比较。结果令人震惊:每个未知序列都是一个入侵病毒的DNA片段。 这样一来,研究的速度就加快了。在2007年,任职于丹麦食品公司Danisco的微生物学家Rodolphe Barrangou 和Philippe Horvath发现,其酸奶生产通常被一些病毒所破坏,而其他的产品则不会,因此他们决定找出原因,他们用两种病毒去感染生产酸奶的嗜热链球菌,结果发现大部分嗜热链球菌都死掉了,而存活下的那些都有一个共同的特征,即他们都受到了CRISPR分子的保护。 「独自一人不可能发现这些事情,」当我们在哈佛医学院,George Church的办公室里见面时,他告诉我,「整个专利权之争是非常愚蠢的。有很多研究成果都体现在这里面。如果有任何人对这件事大惊小怪的话,我会特别烦他们。但我不会这样做,因为我并不认为这样事有多重要。他们都是很好的研究者,他们全都在做这项重要的工作,争来争去完全就是小题大做。」 8从此刻起,修改基因变成了可能,很多人,包括那些参与实验的人都被这一想法吓坏了:那些穿白大褂的科学家们将要重排生命的基本组成。1974年,之后在MIT就职的分子生物学先驱David Baltimore和斯坦福的Paul Berg一同由于病毒遗传学的基础研究获得了诺贝尔奖,他们呼吁终止基因编辑研究,直到科学家们发展出能处理包含重组DNA生物的安全法规。这次会议召开于1975年,在加州阿西洛马的会议中心举行,此后该会议被当作生物技术宪法性会议。 与会人员约150名,其中大部分是科学家,讨论限制偶然释放转基因生物风险的方法。与此同时,创造「设计婴儿」还太遥不可及(只是一种展望,不管多不可能,这种展望和几乎都在讨论的CRISPR牵扯到了一起)。然而,这项技术似乎太让人震惊。在剑桥,从普通人到MIT和哈佛,城市议会几乎将这样的研究全都禁止了。工作继续,但解码DNA序列并不容易。「1974年,30组碱基对(组成我们DNA的60亿核苷酸双螺旋链上的30组),都是好几年的工作成果。」George Church告诉我。而现在,同样的工作仅需几秒钟。 1430019427495.cached 至少在可预见的未来,CRISPR的最大影响将是能够协助科学家快速重写动植物基因组。在实验室里,农业公司已经开始使用CRISPR来编辑大豆、大米、土豆等的基因,使其更营养、更抗干旱。科学家们甚至能编辑基因将过敏原从花生等食物中移除。 通常,需要花费数年的时间才有可能让基因变化传播到整个物种。这是因为,在有性繁殖时,任何基因的两个版本都只有其中一个能遗传下去。但「基因驱动」(根据其在很多代内推动基因传播至整个物种的能力而命名)试图凌驾于传统基因规则之上。由CRISPR在染色体上改写的变异能够在每一代都进行复制,因此几乎每一个后代都能遗传这种变化。例如,给一只蚊子进行一次基因变异,使它无法携带引起疟疾的寄生虫,那么在一两年之内,大部分蚊子都会被改变。如果这种变异减少蚊子产卵的数量,那么这一物种将会逐渐灭亡,并且它所携带的疟疾寄生虫也将一起灭亡。 Kevin Esvelt是哈佛大学的进化学生物学家,他第一个发表声明称基因驱动和CRISPR可以联合起来改变野生物种的性状。最近,他开始研究利用该技术重写野生老鼠的基因以消除莱姆病的可能性。莱姆病是由一种细菌引起的,通过蜱虫传播,在叮咬过老鼠后,有超过85%的几率会感染。然而,一旦被感染,某些老鼠自然地就会获得抗体。Esvelt说道:「我的想法是获取已有能抵抗莱姆病的基因,并确保所有的老鼠都有最有效的抗病基因。」为了做到这一点,科学家们将会通过CRISPR系统解码最具保护性的基因,并使其聚集在一起。Esvelt强调这种方法只有在大量实验和无数次关于该过程利与弊的公众讨论之后才有可能实施。 CRISPR 研究的进展几乎每月都在更新。最近,Church报道他在一个猪细胞中同时完成了62个基因的编辑工作。如果这个技术精确且可轻松复制,那么将大大缓解美国器官捐赠的短缺情况。近几年来,科学家们都在试图找到用猪器官进行移植的方式,但是实验室的研究表明猪的DNA里含有可传染给人类细胞的逆转录病毒。Church和他的同事们发现,这些病毒拥有一个共同的基因序列。他部署CRISPR到达精确位置,并将其从基因上剪切出来。在这个值得庆祝的实验中,CRISPR系统删掉了猪DNA中的全部62组逆转录病毒,随后,Church又将这些编辑过的细胞混入到人类细胞中,并没有出现感染迹象。 9尽管CRISPR使得改变人类DNA成为可能,但依然存在很多风险。Jennifer Doudna就是一位呼吁关注人类基因编辑风险的人士。在位于Berkeley的办公室,我们第一次见面时她这样说道:「这(基因编辑)必然会发生,作为一个研究工具,CRISPR是无价之宝,但离真正临床实践还有不小的距离」。Doudna同时也是今年春天发表在Science杂志公开信的主要作者,这封公开信呼吁暂时停止研究。Doudna也和其他人组织会议讨论基因编辑的伦理,这次会议约有来自美国、英国、中国等国家的200多位科学家参与,会议将于12月第一个星期在华盛顿的国家科学研究院举办。 截止到今年4月,关于CRISPR技术运用到人类上的伦理讨论还停留在理论层面。来自中国中山大学的研究人员试图修复86个人类废弃胚胎的基因,这种基因会导致地中海贫血,是一种十分罕见但致命的血液循环混乱。如果这些致病基因,以及导致类似纤维化这种情况的基因可以在受精卵中进行调整,那这种改变不仅可以保护单个人,最终还能在这个人的遗传世系中永远消灭这种疾病。如果时间充裕,这种改变可以影响到整个人类。外界对于这个实验的反应很大都是一种恐惧和愤怒。时代周刊评论这个新闻的标题:《中国科学家编辑人类胚胎基因,引发担忧》。 It's now possible to edit the DNA in a human embryo. The next question is, should we? 批评者认为这个实验不负责任,同时认为这些科学家们违反了现有的行为准则。在接受NPR采访时,来自基因和社会中心的Marcy Darnovsky说:「这个论文展现了巨大的安全风险,任何这种尝试都需要并强调其风险性,并且要在其行动之前采取必要措施。创造可修改基因人类的社会危害不能被夸大。」 这看起来并非完全的否定该实验。不过,中国的研究者并不是要创造一群基因修改了的人类。他们只是测试其过程,每一个我交谈过的CRISPR 研究者都认为该实验计划缜密、考虑周全。科学家们也同意实验结果富有启发性。Lander告诉我:「这是一个很有伦理道德的论文,一个非常负责任的项目。他们做了什么?他们从试管婴儿诊所取来一些三倍体受精卵(相当普遍的一种基因偏差),他们故意选择这些,因为他们知道人类无法从这些胚胎中产生。他们的论文讲了什么呢?『你看,我们发现了一些问题。』这是一个很科学的行为,也是富有警示意义的事情。」 少于半数的基因并未被编辑成功,大多数也没有保留被置入的新DNA。这个实验发表在一份中国期刊《 Protein & Cell》上面,清晰展示了科学家离安全编辑人类基因的时刻还有很长的路要走。CRISPR 系统同样也会出现非计划中的剪切或代替,这些潜在影响尚不知晓。在其他的案例中,在胚胎的部分细胞中也有一些正确的变化,但无法做到全部成功,这将会导致其他的问题。哥伦比亚大学干细胞研究者Dieter Egli在论文发布后表示:「他们做了一件非常好的事情,指出了很多挑战。他们自己也认为现有的技术还没有准备好用于所有应用。」 Doudna认为中国的研究得出了有价值的结果。她51岁,从02年开始居住于伯克利,那时她和她的丈夫,生物化学家Jamie Cate一同加入了化学、分子、细胞生物部门。他们的办公室紧挨在一起,有着相同的景致,能够看到旧金山湾区和金门大桥。Doudna的工作不同于在Broad的科学家们,她的重点放在了分子上,而非哺乳动物遗传学。几年来,她都领导着RNA形状、结构和能力的调查研究,而在2011年,Charpentier向她寻求帮助,探索CRISPR机制。Doundna个子很高,有着灰金色的头发和锐利的蓝眼睛。她在夏威夷长大,父母是当地的大学教师;到了上大学的时候,她决定离开这个美丽的小岛,并前往加州学习。她在哈佛获得了博士学位,之后搬到了耶鲁。她说:「我一直有一颗不肯安分的心,花费了大量的时间想要知道之后会有什么新玩意。」 Doctor is silhouetted as he walks past poster at Italian fertility doctor Severino Antinori's private clinic in Rome.  A doctor is silhouetted as he walks past a poster showing images of the development of a human foetus at Italian fertility doctor Severino Antinori's private clinic in Rome June 6, 2005. The number of infertile couples seeking help abroad has tripled since lawmakers in Roman Catholic Italy crossed party lines last year to approve one of Europe's most restrictive laws on assisted reproduction. This weekend the standoff will come to a head with a four-part referendum that, if passed, would significantly change the law. The poll has shattered traditional political alliances and elicited emotional appeals from church pulpits. Picture taken June 6, 2005. HALTH REUTERS/Alessia Pierdomenico - RTRDRKQ Doudna是个倍受尊敬的生物化学家,但她告诉我不久之前她考虑加入医学学校或者也可能参与商业。她说她想要对世界做出贡献,并开始担心她实验室里那些研究的影响力会受到限制。然而,她致力于CRISPR的保证促使她留在了实验室。她告诉我她一直为该技术的潜力着迷,但当我问到她曾经是否想过这项强大的新工具会不会弊大于利时,她看上去不太舒服。她说:「我几乎每晚都会躺在床上问我这个问题,当我90岁回顾我这一生时,我是会为了我们成功发明了这项技术而由衷感到开心呢?还是会后悔,希望从来没有发现过它是如何工作的?」 她的眼睛眯缝起来,压低声音,几乎以耳语的方式轻声说:「我从没有公开说过这话,但我会告诉你我的心智在哪里。我最近做了一个梦,在我的梦里」——她提到了一个顶尖科学研究员的名字——「来找我,并对我说:『我这边有一个非常有权势的人,我希望你见他一下,我要你向他解释一下这个技术的原理。』然后我说,当然可以,他是谁?他是阿道夫·希特勒。我真的吓坏了,但我还是走进了一个房间,希特勒就在那里。他有一张猪面脸,我只能从背后看见他。他正在纸上做笔记,并说道:『我想要理解这个神奇技术的使用方法和启示。』我在一身冷汗中醒过来。从那天起,这个梦就一直困扰着我。因为,假如像希特勒这样的人得到了这种技术——你根本想不到他会用它来做什么可怕的事情。」 10没有人会用CRISPR技术来设计婴儿,更不用说短期内改变人类的整体基因了。即使科学家有能力编辑人类胚胎,这种经过基因工程改造的孩子也要花上很多年的时间才能长大成人,繁衍后代——还要花上很多代,这种改变才能传遍整个人类。 虽无近忧,但有远虑。现代医学已经塑造了我们的基因组,因为它保护了一些本会被自然选择清除出去的基因。今天,成千上亿的人都有近视眼,其中有不少几乎可以算是失明。如果人类没有发明眼镜,那么视力差就会变成一种生存威胁,而不仅仅是一件麻烦的琐事,如果是这样,或许近视眼的基因就不会像今天这样普遍。同样的事情也发生在许多传染病上,甚至还包括糖尿病这样的慢性病。 人类还携带着一些基因,尽管能抵抗某种疾病,但却让我们对另一些疾病更易感,因此不可能预测出完全或部分改变它们会带来什么影响。艾滋病毒常通过一种叫做CCR5的蛋白质来进入人体血液。这个蛋白质的某种叫做Delta32 的变异基因能防止艾滋病锁定细胞。如果每个人都携带有这种突变基因,那就没人会得艾滋病。那为什么不把这种变异引入到人类基因组呢?某些研究团队正在研发这样的药物,想要把这种方法用在已经感染艾滋病的病人身上。 然而,有一件很重要的事情是,你必须注意到,这种过程会预防艾滋病感染,但它同时提高了我们对西尼罗病毒的易感性。权衡一下目前的得失,这个方法似乎很值得一试,但我们没法知道7代或10代之后,它是否还会有效。例如,能引起贫血的镰形红细胞可以预防疟疾,因为细胞的形状阻止了寄生虫的传播。如果20万年前就已经有CRISPR技术了,用它来编辑全人类的镰形红细胞似乎是一件明智的事。但结局可能是毁灭性的的。 「这有点像地质工程,」张锋告诉我,类似那些刻意改变气候以抵消全球变暖造成的损害的尝试。「一旦你走上那条路,就可能是不可逆转的。」 George Church并不同意。他告诉我:「我认为,说它不可逆转是一个伪命题。成千上万的科技都不可逆转。但基因不是其中之一。在我的实验室里,我们每时每刻都在制造变异,然后再把它们变回来。此时起11代之后,如果我们发现以前改变的基因不再正常工作,那我们再把它改回来就行了。」 1997年,苏格兰科学家声称他们克隆了一只叫「多利」的羊,从而震惊了世界。记者(包括我)蜂拥而至爱丁堡,只为写下这个奇迹一般、但却像打开了潘多拉魔盒一般的科学成就。一时间,关于克隆以及人生价值的文章铺天盖地。邪恶的人们和独裁者将克隆他们自己、他们的孩子和宠物。新的人类阶级即将崛起。 dolly-and-media_600x400 18年后,我们最接近于克隆人的是一次失败的克隆猴子的实验,那是2007年。现在可没人花时间担心这个了。在剑桥的这个夏天,在Broad的研究人员之一告诉我,他和Louise Brown都生于1978年,后者是第一个成功通过体外受精诞生的人。他问到:「这引起了轩然大波吗?」确实。甚至7年前,James Watson就在《大西洋月刊》中写道,即将到来的设计婴儿纪元将会全面胜出我们。然而今天,超过500万的孩子通过体外受精来到世上,那种特殊的狂热,似乎也就此过去了。 CRISPR技术为修改生命的根本导致的初期害怕提供了一种新的出口。有很多不同的原因引起了担忧。但评估任何新技术的利弊是有必要的。大多数人都会认为从根本上改变人类基因池来治疗像是艾滋之类的疾病太危险了,如果我们能够用药物或疫苗治疗的话更是如此。但风险总是取决于潜在的结果。如果CRISPR有助于揭露自闭症的秘密,能够治疗癌症,或者能够让农民们更加便利地种出更营养的食物同时减少环境破坏的话,恐惧,就像在这之前的很多其他技术引起的恐惧一样,最终都会消失。(完)   选自newyorker,作者 ,机器之心编译出品。参与人员:汪汪,孟婷,李小鱼,柒柒,Joshua,赵赛坡 。
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