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短短幾年間，CRISPR-Cas9技術(shù)就席卷了整個(gè)生物制藥界，帶來(lái)了比以往任何時(shí)候都更加便捷的基因組編輯工具。那么這個(gè)基因編輯工具到底是如何工作的呢？它如何幫助生物技術(shù)研究？當我們開(kāi)始用它來(lái)編輯人類(lèi)DNA時(shí)會(huì )發(fā)生什么？研發(fā)者之間較量到底又是因為什么？本文將對以上問(wèn)題做出解答，并介紹這一技術(shù)可能帶來(lái)的收益和風(fēng)險。
圖片來(lái)源于NPR新聞網(wǎng)
CRISPR-Cas9被稱(chēng)為本世紀最大的生物技術(shù)發(fā)現之一。這一基因編輯工具革新了實(shí)驗室的生物技術(shù)，能夠幫助疾病研究和加速藥物發(fā)現。該技術(shù)還顯著(zhù)影響了基于微生物的工業(yè)生產(chǎn)和糧食作物開(kāi)發(fā)。但是真正讓它一舉成名的卻是將其應用于人類(lèi)基因組的編輯。2016年，來(lái)自四川大學(xué)的中國科學(xué)家首次利用CRISPR基因編輯技術(shù)，針對晚期非小細胞肺癌患者開(kāi)展了人體臨床試驗，標志著(zhù)CRISPR-Cas9技術(shù)從此開(kāi)啟了人類(lèi)基因編輯的新紀元。而在美國和歐洲，相關(guān)臨床試驗也即將展開(kāi)。
什么是CRISPR-Cas9？
CRISPR是“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”(規律成簇的間隔短回文重復)的縮寫(xiě)。這一叫法是90年代由西班牙科學(xué)家Francis Mojica首次提出的，他首先發(fā)現并深入研究了細菌和古生菌DNA中一連串作為原始免疫系統基礎的重復序列，能夠幫助細菌用來(lái)“記錄”病毒入侵者的DNA。Cas9是一種蛋白質(zhì)，可以識別在CRISPR中存儲的特殊序列，并通過(guò)序列匹配剪切所有的DNA。
雖然CRISPR-Cas9在90年代就被發(fā)現，但直到2012年才發(fā)表了來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的兩位科學(xué)家，JenniferDoudna和Emmanuelle Charpentier的相關(guān)研究成果，這篇文章介紹了當CRISPR-Cas9這一體系從細菌中取出，再引入那些組成更復雜動(dòng)植物的真核細胞時(shí)發(fā)生了什么?！爱斈闱袛嗉毦腄NA時(shí)，你就會(huì )殺死它。但在真核生物中，當你剪切DNA時(shí)，你會(huì )激活一種修復機制，從而開(kāi)啟了重寫(xiě)DNA的可能”。Mojica說(shuō)，“Jennifer和Emmanuelle在體外開(kāi)展了相關(guān)研究，效果很好”。
就在幾個(gè)月后，來(lái)自Broad研究所的張鋒和George Church的兩篇論文也報道了CRISPR作為一種基因編輯工具的早期使用，這也導致了張鋒團隊和Doudna-Charpentier團隊之間的專(zhuān)利爭奪。
我們需要知道的是，CRISPR并不是第一個(gè)允許我們在各種生物體中編輯DNA的技術(shù)工具。其他廣泛使用的技術(shù)包括TALEN和zinc-finger nucleases (ZFNs)等。事實(shí)上，一些專(zhuān)家指出，這些工具其實(shí)有足夠的時(shí)間變得更加完美，也會(huì )比CRISPR-Cas9更準確。
CRISPR-Cas9的原理介紹(圖片來(lái)自參考文章)
但是CRISPR比其他技術(shù)有一個(gè)重要的優(yōu)勢，即它使用起來(lái)更加容易，也更快。以前的大多數技術(shù)都需要從頭開(kāi)始創(chuàng )建分子，以便在特定的DNA序列中做出改變。在CRISPR中，同樣的Cas9分子可以通過(guò)簡(jiǎn)單合成，提供一個(gè)向導RNA(guide RNA)分子來(lái)靶向到任何序列。像Synthego這樣的公司已經(jīng)發(fā)現了這是一個(gè)很好的商機，它們?yōu)檠芯咳藛T合成商品化產(chǎn)品供其使用。
CRISPR-Cas9能做什么？
從理論上講，CRISPR可以用來(lái)修改幾乎所有生物的DNA，以適應各種不同的應用。在生物技術(shù)和制藥公司，CRISPR正在成為藥物發(fā)現的常用工具。在實(shí)驗室里，基因編輯工具已經(jīng)非常流行，并被許多人用來(lái)修改從細菌、蠕蟲(chóng)到老鼠、豬、甚至猴子等種屬的基因組。這對于我們研究任何感興趣的基因功能都是非常有價(jià)值的，無(wú)論是引起疾病的基因，還是能夠提高作物產(chǎn)量的基因，或是那些在惡劣條件下都能生存的基因。值得注意的是，像農作物經(jīng)過(guò)CRISPR-Cas9改造并不等同于傳統的轉基因技術(shù)，因為這一技術(shù)并不引入外來(lái)的物種基因，而是通過(guò)經(jīng)典育種技術(shù)再配合一些DNA的精確調整，方便得多。
將CRISPR用于人類(lèi)治療有兩種主要方法。第一種方法叫做體外基因編輯，其步驟包括提取人體細胞，在實(shí)驗室進(jìn)行改造，并將它們重新注回患者體內。這種方法類(lèi)似于已經(jīng)在市場(chǎng)上使用的大多數基因療法，并且它允許更多的控制參與過(guò)程。然而，如果每個(gè)病人都需要個(gè)體化的制造過(guò)程來(lái)完成治療，相關(guān)療法的價(jià)格將會(huì )非常昂貴。
體外基因編輯技術(shù)(圖片來(lái)自參考文章)
第二種方法就是體內基因編輯，是利用載體將CRISPR-Cas9送到患者體內，直接從細胞內編輯DNA。CRISPR可以通過(guò)納米粒子等載體完成傳遞或編碼成DNA，一旦完成任務(wù)，就可以被清除出體外。
人類(lèi)DNA編輯，安全性？倫理性？
安全性和倫理性，這兩個(gè)都是目前人們遇到的最大問(wèn)題。盡管每個(gè)人都在談?wù)揅RISPR的技術(shù)和投資，但還沒(méi)有人體的臨床試驗安全結果——盡管很快就會(huì )有了。最近的一項研究指出，由于Cas9蛋白天然存在于能夠感染人類(lèi)的細菌中，我們中的許多人自身免疫系統早已經(jīng)準備好來(lái)攻擊它了。這種免疫應激不僅會(huì )使治療無(wú)效，而且還可能引起嚴重的副作用。科學(xué)家們擔心重蹈像基因療法在90年代那樣的覆轍，當時(shí)基因治療的副作用導致了18歲的Jesse Gelsinger不幸死亡，讓整個(gè)基因療法發(fā)展推后數年。
即使CRISPR被證明在人類(lèi)中是安全的，編輯人類(lèi)的基因組又是否合乎倫理呢？這項技術(shù)目前的應用旨在治療遺傳性疾病，看起來(lái)還是簡(jiǎn)單明了的。但是如果我們想給這一技術(shù)設置一條紅線(xiàn)，這條線(xiàn)應該畫(huà)在哪里，以避免其成為那些違反倫理學(xué)，比如優(yōu)生的技術(shù)工具呢？
盡管以目前的發(fā)展，距離想要應用CRISPR做到自由編輯人類(lèi)不同基因還為時(shí)尚早，但是未雨綢繆，現在已經(jīng)是時(shí)候開(kāi)始考慮如何管理這一技術(shù)了。在哪些情況允許或禁止使用該技術(shù)？至少包括Doudna在內的許多科學(xué)家都同意，應該將諸如生殖基因的編輯(germlineediting)排除在外。
CRISPR相關(guān)文章發(fā)表情況(圖片來(lái)自參考文章)
CRISPR-Cas9療法的參與者？
自從2012年第一批研究將CRISPR-Cas9作為基因編輯工具以來(lái)，許多公司都是由該技術(shù)的開(kāi)發(fā)人員所建立的。比如瑞士的CRISPR Therapeutics公司，Emmanuelle Charpentier就是其共同創(chuàng )立者之一。該公司最近宣布，將于2018年開(kāi)始在歐洲進(jìn)行第一個(gè)CRISPR臨床試驗，用來(lái)治療β-地中海貧血疾病，他們打算利用體外方法，對病人的造血干細胞完成體外轉基因。在法國，Cellectis公司被批準使用CRISPR技術(shù)來(lái)制造人類(lèi)T細胞，并將其用于其CAR-T療法來(lái)對抗癌癥。而據NPR新聞報道，在中國，醫生已通過(guò)基因編輯來(lái)進(jìn)行癌癥治療研究。
圖片來(lái)源于NPR新文網(wǎng)
在美國，賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家最近宣布，首個(gè)針對癌癥的CRISPR臨床試驗也將很快開(kāi)展。除了學(xué)術(shù)界的努力，由Jennifer Doudna共同創(chuàng )立的Intellia Therapeutics公司將治療神經(jīng)罕見(jiàn)病甲狀腺素運載蛋白淀粉樣變性(ATTR)做為發(fā)展目標。另一家公司Editas Medicine最初由Doudna，還有Charpentier的競爭對手張鋒教授共同創(chuàng )立，發(fā)展治療遺傳性失明和癌癥等療法。但就在張鋒被授予CRISPR專(zhuān)利的幾周后，Doudna終止了所有相關(guān)參與工作，雙方出現了知識產(chǎn)權的分歧。CRISPR的專(zhuān)利紛爭是相當復雜的，也很難說(shuō)得清， CRISPRTherapeutics公司的聯(lián)合創(chuàng )始人，前任CEO Rodger Novak對此表示“每個(gè)人都知道那些相互矛盾的訴求?！?/p>
CRISPR未來(lái)路在何方？
CRISPR的相關(guān)研究已完成驗證，下一個(gè)目標成就應該是如何將其轉化為安全有效的治療方法。還有不少其他的技術(shù)應用，比如利用CRISPR技術(shù)編輯豬的基因組，使它們的器官能夠被移植到人體內而不產(chǎn)生排斥，從而緩解供體短缺的情況。由George Church共同創(chuàng )立的eGenesis公司已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手這項工作。CRISPR還將被做為診斷工具使用。
圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò )
隨著(zhù)相關(guān)研究不斷深入和技術(shù)進(jìn)步，CRISPR還會(huì )不斷帶給我們驚喜。一個(gè)名為CRISPR-Cpf1的新技術(shù)可能會(huì )讓基因編輯變得更容易，并已得到了廣泛的研究。對此Doudna說(shuō)道:“許多實(shí)驗室，包括我們自己的實(shí)驗室，都在忙著(zhù)研究其他的技術(shù)變型和它們背后的原理，所以請保持關(guān)注?！?/p>
除了研究人員在不斷改進(jìn)基因編輯工具，CRISPR在實(shí)驗室外的研究和“生物黑客“之間變得非常普遍。甚至一些人認為，這項技術(shù)相對的”低門(mén)檻“可能有助于科學(xué)的”民間化“，使科學(xué)更接近實(shí)驗室以外的普通大眾。然而，最近一些生物黑客將基因編輯技術(shù)用于自身的案例，也給我們敲響了警鐘，未來(lái)如何監管值得被重視。
無(wú)論如何，CRISPR技術(shù)對生物制藥領(lǐng)域的強大影響已經(jīng)是板上釘釘了，而且無(wú)疑將作為一項重大發(fā)現載入史冊。大家都在等待CRISPR-Cas9獲得諾貝爾獎那個(gè)時(shí)刻，盡管它已經(jīng)被錯誤地預測了很多年。“評委會(huì )可能還在等待CRISPR展現出它真正的潛力，但這其實(shí)是不公平的”，CRISPR的發(fā)現者Francis Mojica表示，“CRISPR已經(jīng)取得的成就遠遠超過(guò)了獲得諾貝爾獎的其他技術(shù)工具。能夠剪切和復制DNA的技術(shù)都已經(jīng)獲得了諾獎，CRISPR技術(shù)的作用包括編輯基因組，改變表達水平，使DNA可視化，殺滅細菌，開(kāi)發(fā)診斷程序等，它甚至可以在DNA中存儲一部電影。我堅信它一定會(huì )取得最后的成功，只是不確定在何時(shí)。”
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