【醫學新趨勢】「基因剪刀手」開闢治病新途徑

導讀

基因編輯技術是在DNA水平上對遺傳物質進行人為修改的技術，也被稱之為「分子魔剪」。它最早可追溯到20世紀70年代的同源重組技術，在人類歷史上首次實現了對遺傳物質的定點修飾。但是因為同源重組效率極其低下，必須藉助於胚胎幹細胞才能實現基因修飾，而且複雜的操作也限制了它的應用。所以早期的分子魔剪又大又笨重，效率也很低。

隨後，基於核酸酶的其他基因編輯技術逐漸被開發出來，包括鋅指核酸酶（ZFN）、TALEN以及近幾年非常火熱的CRISPR/Cas9技術，這些魔剪逐漸變得輕便靈動起來。尤其是CRISPR/Cas9技術因其簡便、容易操作而被廣泛應用到各個領域。

基礎研究領域百花齊放

CRISPR/Cas9作為一種基因編輯技術應用於科研的時間並不長，迄今僅僅四五個年頭。2013年Jennifer Doudna和華人科學家張鋒首先分別報道在原核生物和真核生物上對細胞的遺傳基因進行了有效的修改。

這一技術一問世，就因為展現了強大的基因修改技術和簡便的操作過程立即風靡全世界。以前認為非常困難的基因敲除、基因修飾在新技術下顯得輕鬆容易很多。當然由此也帶來了強大的利益之爭。Jennifer Doudna和張鋒所代表的兩大學術機構也展開了曠日持久的爭奪。最後張鋒所在的博德研究所笑到了最後。

同時期，一些諸如體積更小的Cas核酸酶如CPF1，或者僅能切割單鏈DNA的Cas9、靶向RNA而不是DNA的Cas系統也被陸續發現。增加特異性，增加效率，減少脫靶效應，增加靜息細胞的基因編輯效率等等也都在開發之中，所有這些發現都使得這個CRISPR/Cas編輯系統正在逐漸走向成熟。

非CRISPR相關的其他基因編輯技術也有進展。比如David Liu就曾經報道基於胞嘧啶脫氨酶的單鹼基編輯系統，能夠將C?G鹼基對變成T?A，或者反過來。該技術不依賴DNA斷裂，而且效率高。不過這個基因改變並不能做到隨心所欲，而是在一段DNA範圍內都改變了，距離實際應用還有很大距離。

在醫學、農業等領域大放異彩

基因編輯技術的進步，很自然地被用於了實際生活中，比如遺傳疾病或者農業上。據統計，迄今為止已知的單基因遺傳病有1萬多種，因為患者人群數目少，大多無葯可治，基因編輯是根治這些遺傳病的唯一有效手段。

目前科學家開展了多項臨床前的研究，例如在小鼠中針對高血氨症（OTC）、血友病等肝臟系統遺傳病進行在體的基因治療，能顯著改善病症；基因治療杜氏肌營養不良（DMD）；基因治療鐮刀細胞貧血疾病，通過體外修復造血幹細胞，然後回輸體內的方法成功治療患病小鼠。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，成功修復小鼠內耳的致聾性基因突變等。

2017年CRISPR/Cas9技術被用於修正植入子宮前的人類胚胎中一種和遺傳性心臟病有關的變異並取得了顯著成功。該研究證實了通過編輯人類胚胎進行治療遺傳病是安全可行的。此外，2017年美國一家公司啟動SB-913首例人體臨床試驗，嘗試通過體內基因編輯徹底治癒亨特氏綜合征，如果能獲得成功將成為基因治療史上里程碑意義的技術。同年美國紀念斯隆研究所利用Crispr/Cas9技術把CAR基因運送到T免疫細胞基因組的特定位點上，從而構建出一個強效的Car-T細胞，能夠更加持續的殺死腫瘤細胞，為實體瘤的基因治療打下了堅實的基礎。這一切都預示著現在的基因編輯技術正在進入黃金髮展期，將來也必定會有更大的發展前景。

近年來，我國在通過基因編輯技術和應用方面也取得了長足進展。比如2015年我國中山大學黃軍就等就利用CRISPR/Cas9技術在人類胚胎中對導致β型地中海貧血症的致病基因進行了修飾，這是首次對人類自身胚胎進行的突破性基因編輯嘗試。2017年被喻為「基因剪刀手」的楊璐菡等，通過CRISPR/Cas9技術敲除豬基因組中的內源逆轉錄病毒（PERV）序列，並克隆出多隻PERV失活小豬，向最終實現使用豬器官進行人體器官移植的終極目標邁進了一大步。

另外，多家實驗室也正從事基因編輯治療艾滋病的研究，已有研究團隊有效剔除了一種人源化小鼠多個器官組織中的人類艾滋病病毒，我國北京大學團隊則是通過敲除CCR5基因來獲得對HIV的天然抵抗力。2017年9月，雜交水稻之父袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技術敲除與鎘吸收和積累相關基因的水稻育種成功。該研究從根本上解決了水稻鎘污染的問題，將扭轉我國部分農作物重金屬超標的問題，進而改善部分人群重金屬慢性中毒的問題。

應重視基因編輯倫理與監管

儘管基因編輯技術展現了強大的生命力，良好的治療前景也吸引了巨量的資本投入。但是基因編輯技術本身並不十分成熟，也沒有達到至臻完美的程度。各種各樣的研究依然在進行之中，以期更加簡單和實用，同時也儘力減少它的那些副作用，包括脫靶效應，嵌合體和在單基因突變方面效率過低的問題。

另外基因編輯也面臨著倫理學上的爭議。比如，2015年中國科學家首次編輯人類胚胎的時候曾引起巨大的批評。當年在美國華盛頓召開的人類基因編輯峰會達成共識，嚴格禁止人類生殖系基因編輯在臨床中的應用，同時鼓勵基因編輯的基礎研究和成體細胞層面的基因治療。經過兩年多的廣泛討論和技術改良，人們逐漸放開了限制，2017年2月美國國家科學院出台報告：應該允許科學家修改人類胚胎，以消除鐮狀細胞性貧血等毀滅性遺傳疾病。同時強烈建議：「一旦基因編輯技術充分應用於人類，當同步設定適當的限制條件。」

對於國家來講，應加強法律、法規和倫理指導原則的建設，保障基因編輯研究和應用健康有序開展。同時，應建立成立專門的基因編輯專家委員會，對基因編輯技術的臨床轉化研究制定政策，監管基因治療的正常進行。

未來的基因編輯技術，應該是一種高效的基因修改技術。比如在人耳的毛細胞引入某種功能正常的基因來治療耳聾，或者血細胞里引入好的突變來治療貧血，甚至刻意把突變引入癌細胞來引發免疫細胞的殺傷反應，而且不影響其他細胞的功能。這一切都有賴於基因編輯技術的進一步發展和完善。目前這一技術已經在遺傳性疾病、眼科疾病治療、耳聾治療、艾滋病治療、腫瘤治療、免疫治療、血液病的治療等方面都大放異彩，而且必將會取得更大的進展。在治療載體上目前最有效的就是AAV（腺病毒相關載體）系列，已經接近臨床批准，一旦在安全性上被證實無虞，必將會大大加速它們的臨床應用。（文/中國科學院動物所 曲彬 美國凱斯西儲大學 杜瑋南）

本期編輯：朱永基