基因編輯器將大顯身手

李蕓蕓

細(xì)菌也有敵人，其較大的敵人之一是噬菌體，因?yàn)楹笳呖梢赃M(jìn)攻和吞食細(xì)菌。面對(duì)攻擊，細(xì)菌最有效的還擊是祭出一種武器CRISPR，以保護(hù)自身。CRISPR實(shí)際上就是一種基因編輯器（又稱為CRISPR-Cas9系統(tǒng)），是細(xì)菌用以對(duì)抗病毒保護(hù)自身的一個(gè)系統(tǒng)，也是一種對(duì)付攻擊者的基因武器。

初識(shí)基因編輯器

1987年，一個(gè)科學(xué)研究小組發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)細(xì)菌基因的一端有一個(gè)奇怪的重復(fù)序列，一個(gè)DNA序列緊跟著幾乎完全相同但以相反方向構(gòu)造的序列。這一現(xiàn)象當(dāng)時(shí)并未引起太多人的注意。過了10年，破譯微生物基因組的生物學(xué)家開始經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這類令人費(fèi)解的DNA重復(fù)模式，因?yàn)檫@種重復(fù)模式出現(xiàn)在超過40%的細(xì)菌和90%的古生菌中。這種DNA的重復(fù)序列就是基因編輯器CRISPR。即便如此，研究人員也并不理解基因編輯器的作用。

到了2005年，有3個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，基因編輯器可能與微生物的免疫作用有關(guān)。其中一個(gè)研究小組是馬里蘭州貝塞斯達(dá)市美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心的尤金·庫(kù)寧和其同事。他們發(fā)現(xiàn)，基因編輯器能夠整合入侵的噬菌體（一種病毒）的少量基因，從而可以參考入侵者的基因來識(shí)別和攻擊入侵者，就像疫苗一樣發(fā)揮作用。

具體作用是，細(xì)菌和古生菌占據(jù)入侵的噬菌體的部分DNA，然后將其作為核糖核酸（RNA）分子（能阻止外來DNA的匹配）的一個(gè)模板保存起來，就像真核細(xì)胞利用一個(gè)被稱作核糖核酸干擾（RNAi）的系統(tǒng)來摧毀核糖核酸一樣。簡(jiǎn)單地說，基因編輯器能模仿入侵者的基因以干擾入侵者的基因編碼，從而抗擊入侵者。

2007年，總部位于丹麥哥本哈根的食品添加劑公司——丹尼斯克公司（后被美國(guó)杜邦公司收購(gòu)）的魯?shù)婪颉ぐ吞m格等人在研究中證明，他們通過添加或刪除與噬菌體DNA相匹配的間隔區(qū)DNA，增強(qiáng)了嗜熱鏈球菌對(duì)噬菌體攻擊的抵抗力。也就是說，通過基因編輯器可以增強(qiáng)細(xì)菌防御噬菌體的能力。細(xì)菌借助基因編輯器而使自己具備一種有高度適應(yīng)性的免疫系統(tǒng)，使得它們能擊退來自某些噬菌體的多次進(jìn)攻。

當(dāng)然，基因編輯器更為現(xiàn)實(shí)的作用是能夠?yàn)槭称飞a(chǎn)培育更強(qiáng)壯的菌株。因?yàn)槿槠窐I(yè)通常依靠細(xì)菌（諸如嗜熱鏈球菌）生產(chǎn)酸奶和乳酪，嗜熱鏈球菌能將牛奶中的乳糖分解為有刺激性的乳酸。但是，噬菌體能攻擊嗜熱鏈球菌，從而讓后者不能發(fā)揮作用，使得制造的酸奶或其他食物的質(zhì)量或數(shù)量遭受嚴(yán)重?fù)p害。

到了2013年，研究人員對(duì)基因編輯器有了更多的了解，他們發(fā)現(xiàn)，基因編輯器似乎是一種精確的萬(wàn)能基因武器，可以用來刪除、添加、激活或抑制其他生物體的目標(biāo)基因，這些目標(biāo)基因包括人、老鼠、斑馬魚、細(xì)菌、果蠅、酵母、線蟲和農(nóng)作物細(xì)胞內(nèi)的基因，這也意味著基因編輯器是一種可以廣泛使用的生物技術(shù)。

新生命的誕生

利用基因編輯器，研究人員可以更為迅速地改變或刪除細(xì)胞中的多個(gè)基因，從而可以治療一些遺傳性疾病，例如亨廷頓病，甚至可以治療艾滋病等現(xiàn)在無法治愈的疾病。當(dāng)然，這一技術(shù)還以用來糾正體外受精胚胎的基因缺陷，如此，將可以創(chuàng)造新的健康生命。

現(xiàn)在，中國(guó)研究人員利用基因編輯器走在了創(chuàng)造新生命的前列。南京醫(yī)科大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、云南省靈長(zhǎng)類生物醫(yī)藥研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用基因編輯器，首次在全球創(chuàng)造和孕育了兩只靶向基因編輯猴。創(chuàng)造靶向基因編輯猴的目的是建立猴子疾病模型。由于人與猴子有較大的相似性，因此可以用猴子來模擬人類，試驗(yàn)藥物和治療遺傳病，從而降低以人做試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

基因編輯器可以對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行插入、刪除或重寫，類似編輯人員對(duì)文字進(jìn)行編輯、刪改和插入一樣，是一種對(duì)物種基因進(jìn)行編輯加工的過程，由此不僅可以改變基因的功能，而且能創(chuàng)造新的生命。

研究人員先是給猴胚胎細(xì)胞注射定制的核糖核酸，然后把基因編輯器中的一種編輯工具DNA切割酶Cas9引導(dǎo)至期望的基因突變位點(diǎn)，修改了3個(gè)基因。這3個(gè)基因分別是，調(diào)節(jié)代謝的基因Ppar-γ、調(diào)節(jié)免疫功能的基因Rag1和調(diào)節(jié)干細(xì)胞和性別決定的基因。研究人員在180多個(gè)單細(xì)胞期猴胚胎中同時(shí)靶向編輯了這3個(gè)基因，然后對(duì)15個(gè)胚胎的基因組進(jìn)行測(cè)序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中有8個(gè)胚胎顯示出兩個(gè)靶基因同時(shí)突變的證據(jù)。這兩個(gè)基因就是調(diào)節(jié)代謝的基因和調(diào)節(jié)免疫功能的基因。

此后，研究人員將這種經(jīng)過遺傳修飾的胚胎轉(zhuǎn)移到代孕母猴體內(nèi)，其中一只母猴分娩出了一對(duì)孿生猴。對(duì)這對(duì)孿生猴的基因組進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，它們的DNA中確實(shí)存在兩個(gè)突變的靶基因。也因此把這兩只猴稱為靶向基因編輯猴。

當(dāng)然，現(xiàn)在這兩只猴子還處于幼年期，尚無法驗(yàn)證是否經(jīng)過編輯的靶基因會(huì)產(chǎn)生作用，即是否會(huì)在猴子的代謝和免疫功能方面出現(xiàn)變化，而檢驗(yàn)這些功能需要等到3年后猴子成年時(shí)才能觀察到。

另一方面，人和動(dòng)物的一些生理功能和病理表現(xiàn)并非只是一兩個(gè)基因就能決定的，所以，在未來評(píng)估這種靶向基因編輯猴時(shí)，還要評(píng)估和觀察其他基因是否起作用，而且要檢測(cè)是否靶向基因編輯猴的所有細(xì)胞中都有這種經(jīng)過編輯加工過的基因，如此才能全面地評(píng)價(jià)這種猴子的價(jià)值。

但不管怎樣，靶向基因編輯猴的誕生也提供了改變和修飾基因以治療疾病的一個(gè)新的方向。

基因編輯器前景廣闊

其實(shí)，基因編輯器的原理比較明確，就是找到目標(biāo)基因并干擾這種基因的表達(dá)，或讓這種基因處于沉默狀態(tài)，不能表達(dá)。

在基因干擾的研究上，研究人員早就有類似的發(fā)現(xiàn)。1990年，一個(gè)研究小組給矮牽?；ㄞD(zhuǎn)入一種催生紅色素的基因，希望這種轉(zhuǎn)基因矮牽?；ㄗ兂甚r紅色。但是，事與愿違，矮牽?；ú粌H沒變成鮮紅色，反而完全褪色，花瓣變成了白色。這是為什么呢？

1998年美國(guó)科學(xué)家安德魯·法爾和克雷格·梅洛揭開了其中的奧秘，原來是核糖核酸干擾造成的。核糖核酸過去被視為從DNA轉(zhuǎn)錄遺傳信息的“二傳手”，蛋白質(zhì)是根據(jù)其轉(zhuǎn)錄的信息來生產(chǎn)的，所以它只是一個(gè)信使。但是，法爾和梅洛發(fā)現(xiàn)，核糖核酸在轉(zhuǎn)錄信息時(shí)，有時(shí)是忠實(shí)傳遞信息，但有時(shí)會(huì)打折扣，從而使特定基因開啟、關(guān)閉、更活躍或更不活躍，最終影響到生物的體型、外表、顏色和發(fā)育等。正是由于產(chǎn)生了干擾，轉(zhuǎn)入矮牽?；ǖ募t色素基因沉默下來，不能表達(dá)，矮牽?；ň筒粫?huì)變成紅色。為此，法爾和梅洛共同獲得2006年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

利用核糖核酸干擾可以讓一些致病基因沉默，以治療疾病，例如，核糖核酸干擾可治愈實(shí)驗(yàn)鼠的肝炎。但是，核糖核酸干擾是通過阻斷信使核糖核酸（mRNA）來阻止蛋白質(zhì)生成，這時(shí)DNA的信息已經(jīng)轉(zhuǎn)錄到核糖核酸中了，這如同馬已離廄，要進(jìn)行特定的干擾，有時(shí)已經(jīng)太晚。

但是，基因編輯器所進(jìn)行的干擾則是在DNA的信息還未轉(zhuǎn)錄到核糖核酸之時(shí)，也就是說，是在馬還未離廄時(shí)對(duì)目標(biāo)馬匹（目標(biāo)基因）的干擾。

更有意義的是，基因編輯器也需要核糖核酸協(xié)同作用，因?yàn)樗梢詾榫庉嬈髦械那懈蠲窩as9導(dǎo)向（所以基因編輯器又稱為CRISPR-Cas9系統(tǒng)），引導(dǎo)其在特異位點(diǎn)裂解完整基因組，這個(gè)特異位點(diǎn)就是目標(biāo)基因的位點(diǎn)，從而修改、修復(fù)目標(biāo)基因序列，或插入新的基因片段，以干擾目標(biāo)基因。

其實(shí)，2013年3月美國(guó)馬薩諸塞州總醫(yī)院的研究人員就利用基因編輯器創(chuàng)造出了變異的斑馬魚。不僅如此，基因編輯器還有可能讓農(nóng)作物生產(chǎn)更多更好的糧食產(chǎn)品。例如，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的高彩霞研究團(tuán)隊(duì)利用基因編輯器剔除了小麥中的一種致病基因，使小麥獲得了抗白粉病的抗性，為小麥的增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。高彩霞研究團(tuán)隊(duì)還利用基因編輯器讓水稻中的4種基因保持沉默而失去功能，這也意味著基因編輯器可以用于改良中國(guó)人最重要的糧食——大米，讓其變得更有營(yíng)養(yǎng)或更高產(chǎn)。

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