張鋒：人類2.0時代的基因「黑客」（上）

06-24

文 MICHAEL SPECTER

編譯馬子頌陳慧乾許秀華南溪

34歲的張鋒是哈佛布羅德研究所(Broad Institute of Harvard)和麻省理工大學最年輕的核心成員。年紀雖輕，卻已成績斐然。1999年，當他還在得梅因市讀高中時，發現了一種可以阻止逆轉錄病毒(如HIV)侵染人體細胞的結構蛋白。憑著這項發現，他獲得了英特爾科學獎第三名。他從總獎金里拿出了5萬美金用於支付哈佛的學費。當時他在哈佛讀的是化學和物理。可到了2009年他從斯坦福大學博士畢業時，他已經轉向了光遺傳學領域。在這門強大的新興學科中，科學家們通過光來研究個體神經元的行為。

張鋒決心成為一名生物工程師，創造出修復破損基因的工具來解決人類那些痛苦的煩惱。次年，作為學者學會的一員，張鋒回到了哈佛，並成為了使用類轉錄激活因子效應物(TALEs)基因組定點操控技術來操控哺乳動物基因的第一人。某個分子生物學家寫到：「試想一下，操控特定區段的DNA和糾正一個小小的打字錯誤一樣簡單……雖然永遠不太可能會做到如此方便，但新的技術已經近在咫尺了。」

張鋒在29歲時受邀到哈佛布羅德研究所組建自己的實驗室，那時他已經給全球數千個實驗室都在使用的基因工具箱貢獻了兩個關鍵的組件。在來到布羅德研究所之後不久，他便參加了一個會議。在這次會議上，他的同事提及在他們研究的一些細菌里發現了奇特的DNA區段，並稱其為CRISPR序列。

基因編輯大師——張鋒。

圖片來源：Kent Dayton

我和張鋒坐在他的辦公室里聊著天。從辦公室望出去便是查爾斯河和燈塔山。他長著一張圓的臉。在長方形金絲邊眼鏡和髮型的映襯下顯得更圓了。「我從來沒有聽說過那個詞。於是google了一下，想看看那到底是什麼」，他說。他幾乎讀遍了所有他能找到的文章。5年之後，他仍驚訝於他當時的發現。他發現CRISPR這一串奇特的DNA序列可以識別入侵的病毒並利用特殊的酶來將這些病毒粉碎，用剩下的病毒碎片來形成初級免疫系統。這段序列無論正著讀還是反著讀，核苷酸序列都一樣，看起來像莫爾斯電碼。這個系統全名很拗口，叫「短迴文重複序列」(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)，但首字母縮寫卻很好記。

CRISPR 由兩部分組成。第一部分是可以切割 DNA 的「手術刀」。第二部分是傳遞基因組信息的RNA。RNA就像一個嚮導，領著「手術刀」在茫茫的基因中搜尋，直至發現那些需要被剪切的核苷酸序列，然後將自己貼合上去。十九世紀巴斯德做了一系列病理實驗，然後人們就清楚地認識到，人類和脊椎動物的免疫系統是可以應對新的威脅的。但很少有科學家意識到細菌也可以用相同的方式來保護自己。在聽聞CRISPR 之後的第二天，張鋒就飛往佛羅里達參加遺傳學會議。然而他並沒有參會，只是待在旅館房間里不停地google。「我坐在房間里讀了我能找到的每一篇關於CRISPR的文章。越讀越興奮。」他說。

張鋒和其他科學家很快發現，如果大自然可以將這些分子轉變成遺傳信息的「全球定位系統」，那麼我們人類也可以。研究人員迅速研究出如何合成嚮導RNA，並且將他們送到每一個細胞里去。一旦剪接酶鎖定了匹配的DNA序列，它就能剪切和粘貼核苷酸，如同word里查找替換功能一樣精確。「這是一個令人難以置信的重要發現!它勢必引發改變遺傳研究的連鎖反應」張鋒說道。

科學家可以通過CRISPR來改變、刪除和替換任何動物里的基因，也包括我們人類自己。這類實驗在老鼠身上做得最多，研究人員已使用工具糾正了導致鐮狀細胞性貧血、肌營養不良症和囊性纖維化的遺傳缺陷。一個小組替換了引發白內障的突變位點。另一個小組破壞了艾滋病病毒穿透我們免疫系統所需要的受體。

CRISPR 對生物圈的影響同樣深遠。去年，通過刪除一個小麥基因的所有三個拷貝，由中國遺傳學家高彩霞領導的團隊創造出了一個完全抗白粉病的新品種。白粉病是世界上最普遍的枯萎病之一。9月份，日本科學家利用該技術，通過關閉控制成熟速度的基因，延長了西紅柿的生命周期。農業研究人員希望這種優化作物的方法比轉基因的爭議少一些。轉基因是將外源DNA轉入到食品的基因中去。

CRISPR前所未見的強大，編輯基因代碼使新一代的醫學治療成為可能。

圖片來自《紐約客》

這項技術也給研究複雜的疾病提供了全新的思路。亨廷頓氏舞蹈病和鐮狀細胞性貧血等疾病是由單個基因缺陷引起的。但自閉症、糖尿病、癌症和阿爾茨海默氏症，這些可怕的疾病背後是數百個基因的變化。弄清之間的聯繫最好的方法就是在動物模型中做試驗。這種試錯法會花上好幾年的時間。CRISPR有望將這個過程變得更簡便、更精確、更快。

這項技術也將無可避免地被科學家用來糾正人類胚胎細胞中的遺傳缺陷。任何一點改變，都會影響到整個基因組，最終會被遺傳給子孫後代。這一切變得比以往都更為現實了。科學家將能夠重寫最基礎的生命代碼，給我們的後代帶來不可預知的後果。滿是改造人的反烏托邦世界給人們帶來的對未知的恐懼，一直以來都是關於科學進步辯論的一部分。

在上個世紀的大部分時間裡，生物學一直在試圖回答三個基本的問題: 每個基因是做什麼的?我們如何找到致病的基因突變??我們該如何處理這些突變的基因? CRISPR誕生之後，這些問題便有了答案。我們正在接近遺傳學的大統一論。溫斯頓·嚴是張鋒研究小組中的一員。他說道：「我不知道黃金時代是什麼樣的，但是我覺得我們已然身處其中了。」

自從1953年沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構之後，生物學的一項重要使命就是了解4種化合物——腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶的排列組合是如何決定人與人，人與其他物種之間的不同的。CRISPR不是第一個幫助科學家實現這個使命的工具，但它是第一個可以讓任何一個只需擁有基本技能和幾百美金設備的人輕鬆掌握的工具。

漢克·格里利是斯坦福法學院的教授，也是法律與生物科學研究中心主任。「CRISPR是遺傳學裡的福特T型車」。漢克·格里利說道。「福特T型車不是第一輛小汽車，但它改變了我們駕駛、工作和生活的方式。CRISPR使困難的過程變得便宜可靠。它的精確程度令人難以置信。編輯基因的歷史是分子生物學史中重要的一部分。」

科學家在上世紀70年代首次嘗試操控我們的基因。他們意識到可以使用限制性內切酶來剪切DNA序列。就在這一刻，自然界中絕不可能交配的物種的DNA在實驗室里結合到了一起。但與「手術刀」相比，這些初始的工具更像是把柴刀，而且他們能識別的片段只是茫茫基因組中的滄海一粟，因此編輯起來很難談得上精確。(試想一下，通過鍵入"to be"來從所有莎士比亞的著作中搜索出哈姆雷特自殺的獨白，那麼，和這一章節一起跳出來的還有好幾百篇無關的引文)。

2001年，人類基因組計劃草圖的發布改變了我們對生命的認知。草圖幫助研究人員定位了千萬個與疾病相關的基因，包括數百種和癌症相關的基因。為了理解這些基因在疾病進化中扮演的角色並加以修復。科學家們需要系統性地以不同的排列組合將基因打開和關閉。直到前一陣子，改變單一基因仍需耗費幾個月或幾年的時間。

在科學家逐漸使用鋅指蛋白之後，這一切才有所改變。和CRISPR類似，鋅指蛋白也是一種分子工具，其發現的過程純屬意外。1985 年，科學家在研究非洲爪蟾的基因時，注意到了環繞著DNA 的手指狀的蛋白質。他們很快就研究出如何將這個緊緊纏繞的蛋白與DNA剪切酶結合起來使用。二十年後，遺傳學家開始使用TALEs來操控DNA。但這兩種方法既昂貴又笨重。雖然張鋒發表了第一篇使用TALEs改變哺乳動物基因的文章，但他意識到TALEs只是一個過渡方法。「它很難用，我不得不讓研究生來製備蛋白，並在我使用這些蛋白做實驗之前對他們進行測試，這個過程很麻煩。」張鋒說。

張鋒對科學的痴迷始於中學時代。那時，他媽媽幫他報了個每周六早晨的分子生物學課程。「那時候我13歲，對分子生物學一無所知。」有天晚上我們一起走過MIT校園裡，去往他所任職的大腦及認知科學系的50周年慶典的路上時，張鋒說：「這門課將我的想像力完全打開了。」張鋒的父母都是工程師。在他11歲時，舉家從中國搬到了美國愛荷華州。他們選擇留在美國，很大程度上是因為他們認為張鋒在這裡能夠受到更好的教育。

1997年，那年張鋒15歲。他獲得了在得梅因人類基因治療研究所(Des Moines Human Gene Therapy Research Institute)的生物安全部門實習的機會，但他隨後被告知按照聯邦法律未滿16歲不得在安全實驗室工作。「所以我還得等。」張鋒說。在他16歲生日那天，他進入了實驗室並見到了在那裡工作的科學家。「我被安排到了一個分子生物學家那裡。他是化學博士。」他繼續說道，「他對科學非常熱愛，對我和我的研究產生了巨大影響。」第一天實習，張鋒在實驗室里待了5個小時，此後每天放學他都會在實驗室待上5個小時，直到中學畢業。

張鋒非常緘默，說話聲音很輕，聽起來難免會讓人昏昏欲睡。我問他是否認為自己是個溫和的人——這種性格很難與獲獎的分子生物學家的身份聯繫起來。「你參加過我們實驗室的組會吧?」他回答道。那天早晨我剛好趕上了張鋒課題組每周例行的組會的結尾。我親眼看到他既溫和又毫不留情地駁斥了組裡一個人所做的報告。當我跟當時在場的一個科學家提到這件事時，那人回道，「這不算什麼，你應該組會一開始就來的。」

在每周六早晨的分子生物學課上，張鋒學會了如何從細胞里提取DNA並確定每段序列的長度。但那並不是他印象最深的事。「我們在課堂上觀看了《侏羅紀公園》，」他的聲音提高几個分貝，說道，「這實在太神奇了。老師還解釋了電影里涉及到的許多科學概念，那些概念聽起來是完全可行的。」

我們去了雞尾酒派對，這通常是身著卡其色衣服的男人和穿著高跟鞋的女人碰出不慍不火風流韻事的地方。張鋒在那裡待了不到20分鐘就匆匆離開回到了實驗室。他保留了在認知科學系的教職，因為他希望他的研究能幫助神經科學家更深入地研究大腦。他告訴我說，在他年輕時有位朋友患有嚴重的抑鬱症，而當他得知幾乎沒有有效的治療方法時感到非常震驚。這點燃了他對心理學的興趣。「當你抑鬱的時候，人們認為你很脆弱。」他說道，「而這實際上是一種偏見。許多人仍被我們還沒有來得及去解決的難題所困擾著。大腦永遠都是宇宙中最難懂的那一片空間。」

布羅德研究所於2003年成立，由企業家埃利·布羅德和他妻子伊迪薩出資建立，旨在資助研究生命分子組成以及與疾病的關係。在張鋒的實驗室里，溫斯頓·嚴向我講述了CRISPR編輯基因的機制。「我們需要能夠在基因組中的精確地切斷DNA，」他一邊說，我一邊看著他工作。他轉了下椅子，指著裝有待分析和編輯的DNA的瓶子。嚴有點瘦的，戴著一副眼鏡，手上戴有黑色的實驗手套和白色的Apple Watch。他拍手聳肩，表示所有的事就是這麼簡單。

訂購編輯DNA的基因組件並不像在Zappos買雙鞋那麼簡單，但其實也差不多。嚴打開了他實驗室桌上的電腦，填寫著一家名為整合DNA技術(Integrated DNA Technologies)的公司的訂購單。這家公司主要提供合成生物分子組件的服務。「可以在網上下單。如果你想要合成一條序列，通常一兩天就能拿到。」他說道。研究人員可以上網訂購各種生物分子組件，包括DNA、RNA以及其他所需要的試劑。你可以買到合成可用於實驗的脊髓灰質炎病毒(已被實現)或者合成使便便聞起來有鹿蹄草味的基因組件。在劍橋，這家公司通常可以當天送貨。另一個機構Addgene成立於十年前，是一家非盈利的序列庫，儲存著成千上萬現成的序列，包括幾乎所有在CRISPR技術中用於編輯基因的嚮導RNA序列。布羅德研究所及其他機構的研究人員每合成一個新的嚮導RNA，都會向Addgene貢獻一個拷貝。

CRISPR依賴一條長為20個鹼基的RNA引導分子「手術刀」靶向到DNA靶點。人類有2萬個基因，20個鹼基之於一個基因的長度就相當於一個人之於全美國人。CRISPR在定位到特定基因方面雖然優於其他系統，但並非完美，甚至有時候會剪切錯誤的靶點。嚴想從Addgene訂一個現成的探針。拿到這個探針之後，他會將這個探針與一個剪切酶配對，然後靶向到指定的基因。

嚴在被稱為「CRISPR狂熱者」之前就加入到張鋒的實驗室。他補充道：「CRISPR已經改變了這個領域。許多年來在遺傳學裡有一種還原法，人們一廂情願地以為會發現導致癌症或者使人更易患有心臟病的基因。但實際上並沒有這麼簡單。」

第二天上午，我來到布羅德研究所的新斯坦利大樓，乘電梯到頂層，然後將口袋掏空，戴上口罩，穿上實驗袍，套上靴子，然後穿過氣室。氣室用特殊的墊片密封起來，同時一颱風機不斷地往出口吹以防止外來微生物進來。我進入了一個生態缸，這是一條幹凈的長廊，像是研究單位和醫院病房的結合部。生態缸是去年開放的，這裡有上千種小鼠以及世界上監控最為精密的設施。

雖然我們對人類細胞發生癌變的機理的認識不斷加深，但是還是無法在培養皿上研究突變。自19世紀90年代後期起，轉基因小鼠一直作為標準的模式動物。雖然治癒小鼠或導致小鼠死亡的因素不一定在人類身上也有同樣的作用。但小鼠的基因組和人類的基因組出奇地相似，價格便宜，容易飼養。與人類以及其他動物一樣，小鼠也會患有影響免疫和大腦的複雜疾病。它們會患癌、動脈粥樣硬化、高血壓、糖尿病以及其他慢性疾病。小鼠每三周繁衍一代，這使得研究人員能一次性研究好幾代。技術人員能從小鼠體內取出幹細胞，然後在實驗室中進行基因編輯，將這些編輯之後的幹細胞放回小鼠體內產生胚胎，待其增殖分化後，研究這個基因在動物發育的作用。這個過程很一目了然，但總的來說一次只能研究一個基因的一個功能。

布羅德研究所的生態缸飼養的是完全不同的小鼠，這些小鼠的每個細胞都帶有Cas9蛋白(CRISPR相關核酸酶)。Cas9蛋白是一種酶，在CRISPR系統里充當基因「手術刀」的角色。當科學家剛開始用CRISPR編輯DNA時，他們必須將 Cas9蛋白和引導該蛋白的探針注入到細胞內。一年前，張鋒實驗室的另一名成員蘭德爾·普拉特意識到或許能將CRISPR系統分為兩部分。他將這個手術刀(Cas9蛋白)的基因植入到小鼠的胚胎，使Cas9的編碼基因整合進該動物的基因組。每次細胞分裂，Cas9就會跟著細胞複製。換句話說，他和他的同事創造出了一種易於編輯的小鼠。上一年，他們發表文章介紹了他們的方法學。普拉特已與世界上超過一千個實驗室分享了這項技術。

「Cas9小鼠」成為了新興CRISPR兵工廠的殺手鐧。當每個細胞都含有這個「分子剪刀」後，科學家不再需要將其與嚮導RNA結合。他們可以同時操控許多探針，在他們想要研究的基因中製造突變。

為了展示這項技術在癌症領域的潛在應用價值，他們的團隊用Cas9小鼠建立肺腺癌模型。肺腺癌是肺癌中最常見的類型。之前，為了建立動物模型，科學家必須一次改變一個基因，或讓動物雜交以產生攜帶所需的基因變異的種群。這兩種方法難度大且費時。「現在我們可以直接在感興趣的細胞中激活CRISPR，按照我們的意願來改變基因組。」普拉特帶我們參觀Cas9小鼠生態缸時說。我們進入一間小小的檢驗室，這裡可以俯瞰到整個劍橋。我看到一名技術員將Cas9小鼠放置在生物安全櫃櫥內，然後在萊卡顯微鏡上一邊觀察一邊用很細的毛細管針將一個細胞注入小鼠的尾部。

普拉特解釋道：「現在我們有了模型。這些小鼠剛被注入3種探針，每一種探針都帶有一個被認為與癌症有關的基因突變。這些細胞將會攜帶所有我們希望研究的突變。這確實是革命性的進展。」

「在過去，這需要十年的時間且需要形成一個聯盟。」普拉特說。「有了CRISPR，我一個人只需要4個月就能完成。」九月份，張鋒在Cell期刊上發表了一篇報道，描述另一種名為Cpf1的CRISPR蛋白，這個蛋白比Cas9更小更容易操作。

他們實驗室在研究自閉症也使用了類似的方法。最近實驗顯示大腦中數以萬億計的神經元中只要有個別出現問題就有可能導致某種精神疾病。研究神經元在大腦里的功能是很難的。通過重新構建其他實驗室已發現的自閉症和精神分裂症相關的突變，張鋒的團隊已經能夠研究與這些疾病相關的出錯的神經元了。

由於測序的價格直線下降，全美的癌症診所都可以更深入地研究病人的腫瘤了。腫瘤幾乎都是不同的，有的只攜帶5個突變，有的攜帶50個突變。這意味著，實際上每個癌症病例都是特異性疾病。在CRISPR出現以前，癌細胞基因突變範圍廣，以致於很難找到有效的治療手段。

「我最喜歡CRISPR技術的一點是，你能夠在任何一種癌細胞系中敲除每個基因，找出細胞的阿喀琉斯之踵」， 58歲的布羅德研究所的主任埃里克·蘭德說道。作為人類基因組計劃的領軍人物，蘭德說他從來沒有遇到過比這更有前景的研究工具。「你可以使用CRISPR系統性地研究癌症複發的機制，」他說道，「這也許能建立起一個完整的癌症路線圖。」

蘭德接著說，癌症的每一個弱點都可用一種藥物進行攻擊。但癌細胞逃避藥物的方式很多，為了有效治療癌症，則需要將這些弱點一網打盡。這種策略在治療如艾滋病等傳染病中已被證實是有效的。「記住關於HIV的悲觀論調，」早些年，患艾滋病就相當於被判了死刑。最後，病毒學家研發出一系列藥物來干擾病毒複製。這種療法十分有效，但是只有將這些藥物結合使用時，才能徹底阻止病毒。

同樣的方法在治療肺結核上也是行之有效的。蘭德深信這也能用到癌症治療上來：「在治療艾滋病時使用三葯聯合方案。我們正處在一個歷史節點上。在此之前我們輸得一塌糊塗，而這一天我們突然贏了。」

他站起來走到辦公桌前，指著牆描繪他對未來癌症治療的憧憬。「以後將會有一張大圖。不過，這張圖會是電子版的，包含針對癌症細胞的所有治療路線圖，包括它們如何形成，所有能打敗癌細胞的方法，以及它們用來躲避或戰勝治療方案的方法。當有了這個圖，我們就贏了。因為每個癌細胞都是新的，它們並不知道我們準備做什麼。而傳染病不同，它們邊傳播邊共享信息。傳染病在人群間傳播時能夠從人的身上獲得信息。然而每個人的癌症都是從新的，而這也是我們能夠打敗它的原因。」

本文來自《紐約客》雜誌，原文鏈接：http://www.newyorker.com/magazine/2015/11/16/the-gene-hackers