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基因组编辑: 谁能手握第四代新“剪刀”

2016-10-27 15:25 来源: 科技日报  

  CRISPR并不完美,有脱靶、难以实现单碱基精确编辑之类的缺憾。大家期待更好的技术,一批生物学家也在CRISPR的榜样激励下另辟蹊径,暗中竞赛。

  基因组编辑或许是今年最火热的科学概念,不仅因为NgAgo技术争议受人瞩目,也因为基因组编辑造福人类的潜能,超过任何一种现代生物技术。在这一领域前沿,中国科学家举足轻重。日前举行的中国科协114期新观点新学说学术沙龙上,全国一流的基因组编辑研究者,讨论了这一新技术兴起将带来的冲击。

  微生物的剪刀,被人类拿来“咔嚓咔嚓”

  CRISPR一次成本也就两美元,而且它上手简单,找个聪明的高中生到实验室学习几个星期也可以学会,就像在电脑上编稿子一样。

  中国科协的学术沙龙上,所有专家热衷的技术就是CRISPR。CRISPR本来是微生物为保护自己演化出来的本领。这一系统存在于细菌体内,科学家发现它可以寻找和清除病毒基因:细菌把病毒基因的一小段存储到自身DNA里一个叫CRISPR的存储空间;再次遇到病毒入侵,细菌根据存写的片段识别,切断病毒DNA。

  尽管利用细菌免疫系统来编辑基因,并非始于CRISPR。但科学家掌握了对蛋白Cas9的操作技术后,发现复合物在RNA指导下定向寻找目标DNA序列然后切除之的效率是最高的。而且对多种目标细胞都有效。

  在CRISPR之前,ZFN(锌指核酸内切酶)和TALEN(类转录激活因子效应物核酸酶)是最为人称道的两种基因组编辑技术,大家也用它们在拟南芥、斑马鱼和许多生物上做了实验。但CRISPR一蹦出地平线,前两者相形失色。

  ZFN和TALEN实验要花费成千上万美元,但CRISPR一次成本也就两美元。而且它上手简单,找个聪明的高中生到实验室学习几个星期也可以学会,就像在电脑上编稿子一样。CRISPR技术迅速蔓延,覆盖生物学界。在各国实验室里,喜得了CRISPR这把微生物赐予的好剪刀,科学家兴奋地埋头在实验室里“咔嚓咔嚓”,裁剪他们心仪的生命密码。

  生物学家喊“万岁”,但仍想超越CRISPR

  CRISPR并不完美,有脱靶、难以实现单碱基精确编辑之类的缺憾。大家期待更好的技术,“贪婪”地盯着任何可能成为“第四代”的好工具。

  2012年来,科学家将CRISPR广泛应用于各种动植物,用来研发新动物品种充当人类疾病研究模型,还用来直接修复基因治疗人类遗传病,四处开花。

  CRISPR这么好用,难怪有学者喊出“CRISPR万岁”,但也不是没有人挑战它。

  20世纪70年代研究者用大肠杆菌和酵母中的酶去编辑基因,也叫基因打靶,是第一代基因组编辑技术;随后是比它更高效、更普适的第二代基因组编辑技术;第三代基因组编辑技术CRISPR重组率高了许多,而且可做到无痕编辑。会不会有第四代呢?

  CRISPR并不完美,有脱靶(目标是修改某一段基因,结果同时修改了另一段)、难以实现单碱基精确编辑之类的缺憾。大家期待更好的技术,“贪婪”地盯着任何可能成为“第四代”的好工具;一批生物学家也在CRISPR的榜样激励下另辟蹊径,暗中竞赛。其中NgAgo就曾被寄予厚望,尽管后来被许多人称之为无法重复。仍有不少学者坚持声称超越CRISPR的技术是迟早的事。

  比如今年9月15日,中国南京大学发表了一项成果,用结构引导的内切酶实现体内外DNA任意序列的靶向和切割。这个新工具在科协学术沙龙上被行内专家称道,认为有较大的优化空间。

  另一方面,较早的ZFN和TALEN也不能说被打败,还有改进版技术推出,也陆续有成果发表。

  让CRISPR更抓人眼球的,是今年为争夺CRISPR的专利权,几家实验室大打官司,互相诋毁,谁能笑到最后尚未可知。但毫无疑问,基因组编辑技术铺就了一条金光大道。如果一项同样好用的新技术能打破垄断,对生物学家和消费者都是好事。

  希望之光,“不治之症”有救了?

  CRISPR技术能很有效地改造人类胚胎,当然也引起了“用基因组编辑技术来量身订作完美婴儿”的伦理忧思。科学家表示:为了病人的需要,这些实验有必要进行,但是必须谨慎进行。

  “基因组编辑对消费者的好处,典型例子就是:有些病原先治不好,现在可以治好了。”北京大学研究员魏文胜在科协学术沙龙上说。

  近一年来基因组编辑应用于医疗的喜讯不断:有医生利用经ZFNs基因组编辑技术改造的细胞株,成功治愈了一个小女孩的“不治之症”——急性淋巴细胞性白血病;还有实验室报告CRISPR可以治疗利伯先天性黑朦病,一种遗传性视力衰退疾病;也有团队利用ZFNs技术定点改造免疫细胞的CCR5基因,企图让人免于感染艾滋病。

  另外,2015年中国科学家用基因组编辑清除了细胞中的乙肝,为克服这一顽疾闯出了一条新路。

  CRISPR技术能很有效地改造人类胚胎,当然也引起了“用基因组编辑技术来量身订作完美婴儿”的伦理忧思。从现在技术进步的速度,医生会具备这样的能力。但医学伦理未必会容忍他们做这样的实验。

  不久前,瑞典生物学家弗雷德里克·兰纳团队用CRISPR技术精准改造了胚胎DNA做出了精准改变,目标是刚受精几天、还处于发育早期的人类胚胎。兰纳使胚胎中的基因失去活性,以了解它们在早期发育中发挥什么样的作用,希望理解不孕不育和流产的原因。这项实验被批准但仍引起反对。

  2015年,中山大学副教授黄军就编辑人类胚胎的β地中海贫血症相关基因,引起世界关注。后来中国另一个团队也尝试编辑人类胚胎以抵御艾滋病毒感染。以上实验使用的是缺陷胚胎:由于接受两个精子包含了一组多余的染色体而不能正常发育。虽然实验获得批准,但事后仍有一个中美联合讨论会议为此举办,表现了科学界对实验伦理的谨慎。而在科协的学术沙龙上,相关科学家表示:为了病人的需要,这些实验有必要进行,但是必须谨慎进行。

  剪掉“坏片段”,制造更怡人的农作物

  如果仅有一段DNA序列被剪掉,没有外来DNA插入,这种突变与天然突变并无区别。美国农业部已表示基因组编辑农作物不是转基因,不需要监管,可进入商业化进程。

  新的基因组编辑技术,让植物育种变得更简单了。比起治疗绝症,更优质的农产品可能会是基因组编辑带给普通人的第一项福利。

  如果仅有一段DNA序列被剪掉,没有外来DNA插入,这种突变与天然突变并无区别,那就不是转基因生物。这可能意味着种植基因组编辑的植物不用批准。美国农业部已表示基因组编辑农作物不是转基因,不需要监管,可进入商业化进程。如2016年,美国种植了基因组编辑的蘑菇。使用CRISPR技术剪掉了让香菇变褐色的DNA。新式香菇没有导入外来基因,而是剔除掉“坏片段”,因此不算转基因食品,规避了相关的麻烦。

  不仅是地里长的东西可以被编辑基因。美国一支团队用CRISPR改造的酵母菌,得到了牛奶中的酪蛋白,从而生产出非动物来源的奶酪。改造的酵母菌还有希望用来改善啤酒的口味。

  在科协学术沙龙上,中国农业大学副教授陈其军列举了一系列美国农业部批准不受监管的基因组编辑加以改良的作物:小麦、水稻、糯玉米、蔬菜、蘑菇、卷心菜……这份名单会越拉越长。而经过基因组编辑的马铃薯、玉米等很快会在美国上市。陈其军认为,基因组编辑农作物是否能推广,要看各国监管的宽松程度。

  “新的基因组编辑技术可以提供一个非常自由的平台。生物学家的空间非常大。”中科院动物所研究员王皓毅在科协沙龙上说,“相比于美国顶尖实验室,我们的执行力弱可能是一个困难。”

  大北农公司的专家杨进孝也在会上表示,中国实验室执行力比较弱的原因,是实验人员多为学生,面临毕业问题。他认为,企业应该通过服务的方式参与进来,这有利于中国科学家专心做技术。

 编辑:[ 穆好强 ]
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