基因編輯器：編出新生命
時間：2014-03-25 11:02:23 來源：轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng) 點(diǎn)擊：
利用基因編輯器，人類可以治療艾滋??？
細(xì)菌也有敵人，其最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有些拗口，稱為規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)，實(shí)際上就是一種基因編輯器（又稱為CRISPR-Cas9系統(tǒng)），是細(xì)菌用以保護(hù)自身對抗病毒的一個系統(tǒng)，也就是一種對付攻擊者的基因武器。
初識基因編輯器
1987年，一個科學(xué)研究小組發(fā)現(xiàn)，在一個細(xì)菌基因的一端有一個奇怪的重復(fù)序列，一個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)家就經(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。
到了2005年，有三個研究小組發(fā)現(xiàn)，基因編輯器CRISPR可能與微生物的免疫作用有關(guān)。其中一個研究小組是馬里蘭州貝塞斯達(dá)市美國國家生物技術(shù)信息中心的尤金·庫寧和其同事。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）的一個模板保存起來，就像真核細(xì)胞利用一個被稱作核糖核酸干擾（RNAi）的系統(tǒng)來摧毀RNA一樣。簡單地說，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（后被杜邦公司收購）的魯?shù)婪?middot;巴蘭格等人在研究中證明，他們通過添加或刪除和噬菌體DNA相匹配的間隔區(qū)DNA，改變了嗜熱鏈球菌對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種噬菌體的多次進(jìn)攻。
當(dāng)然，基因編輯器更為現(xiàn)實(shí)的作用是，杜邦公司能夠?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)胞中的多個基因，從而可以治療一些遺傳性疾病，例如亨廷頓氏病，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)還以用于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，甚至創(chuàng)造“超人”。
現(xiàn)在，中國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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、云南省靈長類生物醫(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。由于人與猴有較大的相似性，因此可以用這樣的猴子來模擬人類，試驗(yàn)藥物和治療遺傳病，從而降低藥物研究和以人做試驗(yàn)的風(fēng)險。
基因編輯器CRISPR可以對目標(biāo)基因進(jìn)行插入、刪除或重寫，類似編輯對文字進(jìn)行編輯、刪改和插入一樣，是一種對物種基因進(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（RNA），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個基因。這三個基因分別是，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多個單細(xì)胞期猴胚胎中同時靶向編輯了這3個基因，然后對15個胚胎的基因組進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中有8個胚胎顯示出兩個靶基因同時突變的證據(jù)。這兩個基因就是調(diào)節(jié)代謝的基因Ppar-γ和調(diào)節(jié)免疫功能的基因Rag1。
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孿生猴。對這對孿生猴的基因組進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，它們的DNA中確實(shí)存在兩個突變的靶基因。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)過編輯的靶基因會產(chǎn)生作用，即是否會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年后猴子成年時才能觀察到。
另一方面，人和動物的一些生理功能和病理表現(xiàn)并非只是一兩個基因就能決定的，所以，在未來評估這種靶向基因編輯猴時，還要評估和觀察其他基因是否有作用，而且要檢測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，如此才能完整地評價這種猴子的價值。
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新的方向。
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，一個研究小組給矮牽牛花轉(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RNA（核糖核酸）干擾造成的。RNA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)RNA轉(zhuǎn)錄的信息來生產(chǎn)的，所以RNA只是一個信使。但是，法爾和梅洛發(fā)現(xiàn)，RNA在轉(zhuǎn)達(dá)信息時，有時是忠實(shí)傳遞信息，但有時會打折扣，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RNA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筒粫兂杉t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。
利用RNA干擾可以讓一些致病基因沉默，以治療疾病，例如，RNA干擾可治愈實(shí)驗(yàn)鼠的肝炎。但是，RNA干擾是通過阻斷信使RNA（mRNA）來阻止蛋白質(zhì)生成，這時DNA的信息已經(jīng)轉(zhuǎn)錄到RNA中了，這如同馬已離廄，要進(jìn)行特定的干擾，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RNA之時，也就是說是在馬還未離廄時對目標(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RNA協(xié)同作用，因?yàn)镽NA可以為編輯器中的切割酶Cas9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。
2013年3月，美國麻薩諸塞州總醫(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作物生產(chǎn)更多更好的糧食產(chǎn)品。例如，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的高彩霞研究團(tuán)隊利用基因編輯器剔除了小麥中的致病基因，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人最重要的食糧——大米，讓其變得更有營養(yǎng)或更高產(chǎn)。
細(xì)菌也有敵人，其最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有些拗口，稱為規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)，實(shí)際上就是一種基因編輯器（又稱為CRISPR-Cas9系統(tǒng)），是細(xì)菌用以保護(hù)自身對抗病毒的一個系統(tǒng)，也就是一種對付攻擊者的基因武器。
初識基因編輯器
1987年，一個科學(xué)研究小組發(fā)現(xiàn)，在一個細(xì)菌基因的一端有一個奇怪的重復(fù)序列，一個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)家就經(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。
到了2005年，有三個研究小組發(fā)現(xiàn)，基因編輯器CRISPR可能與微生物的免疫作用有關(guān)。其中一個研究小組是馬里蘭州貝塞斯達(dá)市美國國家生物技術(shù)信息中心的尤金·庫寧和其同事。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）的一個模板保存起來，就像真核細(xì)胞利用一個被稱作核糖核酸干擾（RNAi）的系統(tǒng)來摧毀RNA一樣。簡單地說，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（后被杜邦公司收購）的魯?shù)婪?middot;巴蘭格等人在研究中證明，他們通過添加或刪除和噬菌體DNA相匹配的間隔區(qū)DNA，改變了嗜熱鏈球菌對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種噬菌體的多次進(jìn)攻。
當(dāng)然，基因編輯器更為現(xiàn)實(shí)的作用是，杜邦公司能夠?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)胞中的多個基因，從而可以治療一些遺傳性疾病，例如亨廷頓氏病，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)還以用于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，甚至創(chuàng)造“超人”。
現(xiàn)在，中國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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、云南省靈長類生物醫(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。由于人與猴有較大的相似性，因此可以用這樣的猴子來模擬人類，試驗(yàn)藥物和治療遺傳病，從而降低藥物研究和以人做試驗(yàn)的風(fēng)險。
基因編輯器CRISPR可以對目標(biāo)基因進(jìn)行插入、刪除或重寫，類似編輯對文字進(jìn)行編輯、刪改和插入一樣，是一種對物種基因進(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（RNA），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個基因。這三個基因分別是，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多個單細(xì)胞期猴胚胎中同時靶向編輯了這3個基因，然后對15個胚胎的基因組進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中有8個胚胎顯示出兩個靶基因同時突變的證據(jù)。這兩個基因就是調(diào)節(jié)代謝的基因Ppar-γ和調(diào)節(jié)免疫功能的基因Rag1。
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孿生猴。對這對孿生猴的基因組進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，它們的DNA中確實(shí)存在兩個突變的靶基因。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)過編輯的靶基因會產(chǎn)生作用，即是否會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年后猴子成年時才能觀察到。
另一方面，人和動物的一些生理功能和病理表現(xiàn)并非只是一兩個基因就能決定的，所以，在未來評估這種靶向基因編輯猴時，還要評估和觀察其他基因是否有作用，而且要檢測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，如此才能完整地評價這種猴子的價值。
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新的方向。
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，一個研究小組給矮牽牛花轉(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RNA（核糖核酸）干擾造成的。RNA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)RNA轉(zhuǎn)錄的信息來生產(chǎn)的，所以RNA只是一個信使。但是，法爾和梅洛發(fā)現(xiàn)，RNA在轉(zhuǎn)達(dá)信息時，有時是忠實(shí)傳遞信息，但有時會打折扣，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RNA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筒粫兂杉t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。
利用RNA干擾可以讓一些致病基因沉默，以治療疾病，例如，RNA干擾可治愈實(shí)驗(yàn)鼠的肝炎。但是，RNA干擾是通過阻斷信使RNA（mRNA）來阻止蛋白質(zhì)生成，這時DNA的信息已經(jīng)轉(zhuǎn)錄到RNA中了，這如同馬已離廄，要進(jìn)行特定的干擾，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RNA之時，也就是說是在馬還未離廄時對目標(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RNA協(xié)同作用，因?yàn)镽NA可以為編輯器中的切割酶Cas9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。
2013年3月，美國麻薩諸塞州總醫(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作物生產(chǎn)更多更好的糧食產(chǎn)品。例如，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的高彩霞研究團(tuán)隊利用基因編輯器剔除了小麥中的致病基因，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人最重要的食糧——大米，讓其變得更有營養(yǎng)或更高產(chǎn)。
