「基因剪刀」將世界帶向何處？

CRISPR技術被《科學》列為2015年全球十大科學突破之首。能將大量植物、動物甚至人的問題基因準確敲除，再用好基因代之的「基因剪刀」，對世界是福是禍？

2015年科學界最火熱的話題，非CRISPR莫屬。CRISPR技術有一個難懂的全名「常間迴文重複序列叢集關聯蛋白系統」，也有一個震動全人類的比喻名——「基因剪刀」。理論上，這種技術可準確敲除大量植物、動物甚至人類的問題基因，並以好基因代之。這是一種有潛力深刻改變世界的技術。

2015年，在全球無數個實驗室里，從酵母到豬、狗，從果蠅到人類，科學家們正在使用CRISPR技術修剪著這個星球上許多物種的基因。2015年上半年，中國科學家黃軍就等人發表使用CRISPR-Cas9編輯人類胚胎的研究論文，引發全球科學家持續不斷的討論。這是這種技術第一次被用到人類胚胎上，讓全球大量科學家的討論「炸了鍋」。直至年底，多國科學家在人類基因編輯峰會上才達成共識。2015年12月18日，權威學術期刊《科學》雜誌評出2015年《科學》十大「年度突破」，CRISPR這個一年來多次出現於全球媒體新聞標題上的字母，赫然出現在第一名的位置。每年年底，《科學》都會評選出全球矚目的該年度十大最重要科學突破。2012年和2013年，CRISPR連續入選該榜單。2015年，在第三次進入「排行榜」時，CRISPR終於被列為十大突破的第一名。無獨有偶，另一本頂級科學期刊《自然》，比《科學》更早幾個小時公布了該雜誌評選的年度十大人物，上述用CRISPR技術編輯人類胚胎細胞的中國科學家黃軍就名列其中。目前，對CRISPR的討論已經不再局限於學術圈，全球主要媒體紛紛進行報道評論，為其鼓與呼者有之，批評其違背人倫者亦有之。未來，科學家將其用於治療白化病、地中海貧血、癌症等疾病上，固然是人類幸事，但如果基因編輯管制失控，又會帶來什麼呢？CRISPR，究竟是一把神奇剪刀，還是惡魔工具？強大的「基因剪刀」從20世紀50年代DNA雙螺旋結構的發現開始，人們就開始了對生命密碼——基因的研究。對人類而言，許多痛苦而棘手的疾病與基因相關，而治癒這些疾病的希望，就在修復基因突變，或是更改致病基因。

從20世紀70年代開始，科學家們開始嘗試修改生物基因。起先，他們發現，使用一種叫做「限制性內切酶」的蛋白質，可以剪切DNA序列從而編輯基因。隨後的幾十年中，基因編輯的技術幾經升級，但直到CRISPR技術出現之前，並沒有哪一種工具可以實現精準、簡單並且高性價比的操作。1987年，科學家就發現了CRISPR蛋白髮揮作用的一些現象，但並未重視。2007年，丹麥一家食品公司的幾位微生物學家在研究酸奶的時候意外發現了CRISPR分子。他們發現，做酸奶用的嗜熱鏈球菌被病毒感染時，大部分的細菌都死掉了，但有一些總能留存，而存活下來的細菌，都受到了CRISPR分子的保護。CRISPR的全稱為「常間迴文重複序列叢集關聯蛋白系統」（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins），由兩部分組成：一部分是可以切割 DNA 的「剪刀」——剪接酶；另一部分則是傳遞基因組信息的「嚮導」RNA，領著「剪刀」在茫茫的基因中搜尋，直至發現特定的核苷酸序列，然後將自己貼合上去。科學家發現，一旦實現人工合成嚮導RNA，就能將「剪刀」送到需要編輯的基因那裡。在發現CRISPR蛋白的基礎上，科學家們開發了CRISPR-Cas9技術。Cas9核酸酶即起引導作用的RNA，這項技術就像一把剪刀，在特定的位置上剪出一個缺口，然後用好的DNA替換掉之前的錯誤DNA。2012年，伯克利大學的化學和分子生物學教授詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）研究團隊與德國赫姆霍茲研究中心艾曼紐·夏龐蒂埃（Emmanuelle Charpentier ）團隊共同第一次證明，採用CRISPR技術可以編輯純化過的DNA。她們的論文於當年6月份發表。2013年1月，麻省理工學院副教授張鋒和哈佛醫學院教授喬治·丘奇則發表了第一篇證明CRISPR技術可用於編輯人類細胞的文章。CRISPR技術究竟算是誰發明的？專利權糾紛至今仍未結束。最初，這項專利權授予了最先提出申請的杜德娜和夏龐蒂埃。但是張鋒和布羅德研究所隨後認為，上述兩位科學家在CRISPR技術早期取得的成果，顯然沒有表明這種技術是否可應用於複雜有機體。目前，張鋒拿回了專利權，但另一方再度提出了重新評估的要求。CRISPR應用前景雖然爭議名分的口水戰還在繼續， CRISPR的巨大功用已不斷顯現。通過CRISPR，科學家可以改變、刪除和替換任何動物里的基因。目前，這類實驗多在老鼠身上進行。在實驗中，研究人員已使用CRISPR在老鼠上糾正了許多遺傳缺陷。此外，科學家也陸續在果蠅、酵母、斑馬魚等物種上使用這項技術。在中國，科學家們對於CRISPR的應用也不落後於世界同行。早在2013年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞就第一次將CRISPR-Cas9應用於植物，並證明了其有效性。目前，科學家已經使用CRISPR成功進行了改良小麥、西紅柿等實驗，生產出抗白粉病（最普遍的枯萎病之一）的小麥，以及生命周期更長的西紅柿。未來，CRISPR在農業生物技術上的應用前景也很廣闊。中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員謝旗向財新記者介紹，近兩年來，CRISPR技術在植物方面的應用已經開始實現產業化，有一批公司開始提供植物的基因敲除服務。「我每天都能收到一大堆郵件，敲一個玉米基因八九萬元，需要敲哪個就敲哪個。」2014年，南京大學黃行許等人使用CRISPR-Cas9基因修飾了猴子的胚胎，這些胚胎隨後在母猴體內孕育，最終誕生出一對實現了基因組經過精確修改的雙胞胎小猴。隨後，中國科學家還陸續編輯了豬、山羊等動物的基因。在人體研究方面，CRISPR-Cas9廣泛應用於癌症研究，著名幹細胞生物學家、哈佛醫學院教授喬治·達利對財新記者表示，在他的實驗室，研究者會使用CRISPR-Cas9關掉某一個目標基因，並觀察這個改變是否能夠殺死細胞，以判斷此基因是否能用於抗癌藥的研發。在幹細胞研究中，CRISPR-Cas9還可以用來修改導致疾病突變的基因，或是建立疾病模型供研究。在CRISPR技術出現之前，科學家們使用另一種叫做TALEN的技術來實現基因編輯，既費勁，又昂貴，而使用CRISPR-Cas9，只需要有生物學研究的基本技能和價值幾百美金的設備。「簡單、操作容易、容易實現多基因的敲除。」高彩霞對財新記者表示。她是最早使用TALEN和CRISPR技術的科學家之一，她以親身經歷評價，CRISPR技術的確更好用。《科學》雜誌執行新聞編輯約翰·特拉維斯（John Travis）曾認為，與其他基因組編輯方法相比，CRISPR技術更精準、容易操作、成本低。數以千計的實驗室，甚至高中生、「生物黑客」都能使用。2015年，CRISPR技術又有新的突破性進展，其中之一是以CRISPR為基礎的「基因驅動（gene drive）」。利用基因驅動，科學家們可以把外源基因快速引入動物群體，並由此對人類不希望存在的物種進行數量控制，比如蚊蟲等。另外，科學家還對豬基因組中的一個逆轉錄病毒DNA的62個拷貝進行CRISPR驅動刪除，這一進展推動了未來將豬的器官用於等待器官捐贈的病人的研究。這項研究也被視為2015年CRISPR的重大突破之一。對於CRISPR技術本身，科學家們也在繼續探索改進。張鋒9月在《細胞》上再度發表論文，報道了另一種名為Cpf1的C蛋白，這個蛋白比Cas9更小、更容易操作。但以上這些進展的影響，都比不上2015年上半年中山大學發表的一項研究所造成的轟動。爭議中國研究2015年4月，中山大學黃軍就研究團隊在《蛋白與細胞》（Protein & Cell）雜誌發表論文，用CRISPR-Cas9技術修改人類胚胎中一個可能因突變導致β-地中海貧血症的基因。地中海貧血症是單個基因紊亂導致的遺傳疾病，重度患者體內造血機能缺失，要維持生命，必須進行長期輸血。該病全世界各地均有分布，在中國南方較常見。廣西曾有抽樣調查發現，40個縣共10多萬兒童中，地中海貧血基因攜帶者高達20%。黃軍就的實驗使用了缺陷胚胎，胚胎由當地醫療機構提供。這些胚胎是在人工授精過程中，一個卵子意外被兩個精子同時受精而產生，它會形成一種具有三套染色體（三倍體）的異常胚胎，因而無法正常發育，更不可能出生。在試驗中，黃軍就使用CRISPR修改了86個胚胎，48小時後，有71個胚胎存活，其中有54個胚胎接受了基因測試，最終有28個胚胎的基因被成功修改，但只有一小部分包含替代的遺傳物質。這樣的實驗結果，有可能與CRISPR技術的缺陷——基因脫靶現象有關。黃軍就和一些研究者認為，該實驗結果顯示了Crispr-Cas9技術在修改人類胚胎基因方面還不成熟。研究發現了大量非目標基因突變現象——這種意外突變可能具有破壞性。與過去老鼠胚胎或人類成體細胞基因修改研究相比，此次實驗中觀察到了遠高於前者的突變比例。CRISPR技術的「脫靶」現象在此前的其他試驗中也有體現，在使用時，這把「剪刀」有時會剪錯地方。然而，黃軍就試驗中成功率低的原因，還需要更全面的全基因組測序來判定。有觀點認為，實驗成功率低，也有可能是使用缺陷胚胎所導致。黃軍就同樣認可這些批評，但是因為沒有正常胚胎里基因編輯的先例，所以他也無從得知該技術是否會在正常胚胎里有不同表現。他仍認為，比起動物模型和成人細胞，這些缺陷胚胎是更有意義的模型，因為更接近正常人類胚胎。「我們想向全世界公布這些數據，這樣人們可以知道這些模型發生了什麼，而不是在沒有數據的情況下，只是泛泛談將會發生什麼。」黃軍就此前接受媒體採訪時表示。但也有人認為，這項科學實驗的意義在於，證明了目前的科學手段對於編輯人類基因組還沒準備好，也給那些認為CRISPR是靈丹妙藥，很快可用於敲除人類致病基因的人潑了冷水。「如果想要在正常胚胎中編輯基因，必須確保成功率接近100%。」黃軍就曾表示，「這就是為什麼我們停止了實驗，我們認為該技術還太不成熟。」事實上，在這篇論文發表之前，爭議人類胚胎細胞修改的聲音已經暗潮湧動。2015年3月，美國再生醫學聯盟主席愛德華·蘭非爾（Edward Lanphier）等在《自然》雜誌上發表評論，大標題即為「不要修改人類生殖細胞」。有傳言稱，發表此文的背景就是當時他們已經聽說中國科學家在做與人類胚胎有關的基因編輯研究。他們認為，在胚胎中基因「剪刀」可能無法有效剪切目標基因，並且在基因修飾完成之前，生殖細胞可能已經開始分裂，這會帶來基因紊亂。比起實驗的不完美，倫理爭議顯然更困擾黃軍就。最初他們將論文投向《自然》和《科學》雜誌，但均因倫理問題而遭拒絕，只好轉而投向影響因子較小的國內英文期刊《蛋白與細胞》。「我們希望避免倫理爭議。」黃軍就曾告訴《自然》。但事與願違，文章發表之後，還是在全球掀起一片爭議浪潮。2015年4月，《蛋白與細胞》經過兩天的審稿期發表了黃軍就的論文，立即掀起巨大波瀾。接下來的數月間，全球科學界的意見呈兩極分化，討論聲不斷。反對浪潮洶湧而至，有些人擔憂修改人類胚胎細胞會給人類帶來不可控的改變，特別對有宗教情結的人來說，改變人類自身基因組無疑是對造物主的僭越。更有尖刻的批評直指中國生物研究對於倫理的不重視。中國確實有基因研究的便利，謝旗認為，無神論的社會主流思潮讓基因編輯的倫理問題更容易接受。對於動物福利的寬鬆管理也可以大大降低許多涉及動物的試驗成本。「例如使用猴子做藥物實驗，國外有嚴格的規定和限制，例如一次性用藥等，而且還要給猴子養老送終。」來自科學家的反對則更為理性。例如上述CRISPR專利曾經的持有者杜德娜就認為，CRISPR和其他基因編輯技術還在不斷的完善過程中，在人類胚胎上使用遠未成熟的編輯技術有些操之過急，研究成果的價值亦有限。支持聲音則多來自從事相關研究的科學家。在國內，清華大學陳國強、復旦大學趙世民等紛紛為此研究背書。在國外，包括CRISPR的另一位發明者喬治·丘奇（Gorge Church）在內的一批有影響力科學家均認為，黃軍就並沒有試圖製造「變種人類」，且使用不正常胚胎的風險可控。對於幹細胞研究，國際科學界通用的準則是，進行科學研究的人類胚胎生長不能超過14天。達利對財新記者表示，他是這項研究審慎的支持者，「經過了合適的機構倫理審查，取用胚胎時獲得了同意，這項研究就是符合目前國際上對於人類胚胎研究的倫理原則的。」爭議開始後，漩渦中心的黃軍就不再接受任何採訪，課題組也已經停止了修改胚胎的研究。其研究合作者、中山大學生命科學學院院長松陽洲教授告訴財新記者，課題組不願意再評論此事。他表示，國際公認的是，CRISPR目前可以用於成人細胞基因編輯。「我們還是按照國際共識去做比較好。」人類會定製嬰兒嗎？對黃軍就論文的爭議，最終促成了全世界相關的科學家坐在一起，正式開始討論人類基因編輯的原則。2015年12月初，由美國國家科學院、美國國家醫學院、中國科學院和英國皇家學會在華盛頓共同舉辦的人類基因編輯國際峰會初步達成共識，即用基因編輯技術來改寫人類胚胎基因，目前不可以用於生育。如何使用CRISPR是重大的技術和倫理問題，參加這次峰會並擔任委員會成員之一的達利表示，修改人類胚胎的基因然後通過植入胚胎懷孕生產將是極具挑戰性的倫理問題。以人類目前所掌握的知識，這樣做並不安全。峰會聲明認為，強化基因編輯技術的基礎和臨床前期研究「是必要的」，應在適當的法律和道德監管監督下繼續開展。但是，經過基因編輯的早期人類胚胎或生殖細胞不得用於懷孕目的。在相關的安全性和有效性問題已經得到徹底解決之前，利用生殖編輯技術的任何臨床應用將是不負責任的。這項聲明為基因編輯研究設立了有條件的紅線，即「在技術不成熟，安全性、有效性不能保證的時候」不得使用。那麼，當CRISPR發展成熟，甚至更先進的基因編輯技術出現的那一天到來時，人類就可以編輯自己的基因了嗎？「一旦完善了轉化與敲除/敲入技術，理論上科學家什麼事都可以做。這個時候就要有規則。」謝旗表示，基因編輯要有所為，有所不為，對於研究的倫理道德，一定要制定法規。上述峰會聲明中指出：「隨著科學知識進步和社會認識發展，對生殖細胞編輯的臨床使用應定期重新評估。」「西方遲早會重新審視倫理道德的要求。」謝旗表示， 像遺傳引起的白化病這樣的疾病，目前沒有治療方法，而改寫基因之後，就可以保證不會遺傳給後代。「那麼，為什麼不去做一下呢？」謝旗認為，基因編輯面臨的輿論爭議與避孕、試管嬰兒等技術類似，最終技術發展還是會被需求推動的。事實上，早在掌握精準的生物技術之前，人類已經在人為改變自然界的基因。從作物雜交、轉基因技術、靶向治療到CRISPR基因編輯，科學家在向解密生命密碼，甚至修改生命密碼一步步走近。到技術成熟的那一天，改變人類後代的基因仍然是個艱難的倫理問題，達利表示，「誰能夠決定到底哪些基因修飾是有醫學必要的？」究竟哪些疾病重大到需要在胚胎時期修改基因？是致命地中海貧血，有限影響壽命長度的白化病，還是唇齶裂？如果說可以使用CRISPR治病，那麼給自己的後代加點「好處」是否可以呢？當技術發展到一定程度，也許定製一個雙眼皮、白皮膚、高智商、具有藝術天賦的嬰兒將不再是天方夜譚。人類是否可以人為地讓某一個人類個體天生具有優於別人的某些特質？達利又提出疑問，當任何人都能編輯基因的時候，會是什麼場景？在接受《紐約客》採訪時，杜德娜講述了她做過的一個噩夢：有天接到一個邀請，某位「重要人物」想和她談談關於CRISPR的應用。欣然赴約時，她發現，想要了解這項神奇技術的，是阿道夫·希特勒。被嚇醒之後，這個夢境時時折磨著從事CRISPR研究的杜德娜。「在赫胥黎的《美麗新世界》里就曾經描述過這樣的世界：一些人的基因被設定為奴隸階級，為掌權的特權階級服務??我們會想要這樣的世界嗎？」達利說。

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