“基因剪刀”将世界带向何处？

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“基因剪刀”将世界带向何处？  _) R" ?1 u( f& K' E6 k7 ~& v4 [
来源：财新网 / 作者： / 2016-01-12# l+ B5 s) k" {! y  K6 W' j

! k1 g1 ]& h" D) G' \CRISPR技术被《科学》列为2015年全球十大科学突破之首。能将大量植物、动物甚至人的问题基因准确敲除，再用好基因代之的“基因剪刀”，对世界是福是祸？
& Y1 O& {) x/ e& ]% B6 }4 ^2015年科学界最火热的话题，非CRISPR莫属。) |" P2 p. F" [( d- K( n0 w' p" }2 h' E
CRISPR技术有一个难懂的全名“常间回文重复序列丛集关联蛋白系统”，也有一个震动全人类的比喻名——“基因剪刀”。理论上，这种技术可准确敲除大量植物、动物甚至人类的问题基因，并以好基因代之。这是一种有潜力深刻改变世界的技术。, _  z: ^1 h0 ^4 O: R  L1 q
2015年，在全球无数个实验室里，从酵母到猪、狗，从果蝇到人类，科学家们正在使用CRISPR技术修剪着这个星球上许多物种的基因。
5 @: ^5 Q% H/ n; }2015年上半年，中国科学家黄军就等人发表使用CRISPR-Cas9编辑人类胚胎的研究论文，引发全球科学家持续不断的讨论。这是这种技术第一次被用到人类胚胎上，让全球大量科学家的讨论“炸了锅”。直至年底，多国科学家在人类基因编辑峰会上才达成共识。" }" D* a2 Z$ L! Y9 u& A2 ]; A9 ~
2015年12月18日，权威学术期刊《科学》杂志评出2015年《科学》十大“年度突破”，CRISPR这个一年来多次出现于全球媒体新闻标题上的字母，赫然出现在第一名的位置。# i5 V" g& B5 e. D
每年年底，《科学》都会评选出全球瞩目的该年度十大最重要科学突破。2012年和2013年，CRISPR连续入选该榜单。2015年，在第三次进入“排行榜”时，CRISPR终于被列为十大突破的第一名。
  P1 P$ A& v) S+ P5 T$ D无独有偶，另一本顶级科学期刊《自然》，比《科学》更早几个小时公布了该杂志评选的年度十大人物，上述用CRISPR技术编辑人类胚胎细胞的中国科学家黄军就名列其中。
8 L; O- n/ |9 Q7 U目前，对CRISPR的讨论已经不再局限于学术圈，全球主要媒体纷纷进行报道评论，为其鼓与呼者有之，批评其违背人伦者亦有之。
) `5 r, F, c3 B$ f+ S; M未来，科学家将其用于治疗白化病、地中海贫血、癌症等疾病上，固然是人类幸事，但如果基因编辑管制失控，又会带来什么呢？* U; c9 y( s1 C
CRISPR，究竟是一把神奇剪刀，还是恶魔工具？
. N8 N* z! T5 J, A, ~) D; J/ }6 Q强大的“基因剪刀”
' X2 C3 U* [1 u* X, W. q* d从20世纪50年代DNA双螺旋结构的发现开始，人们就开始了对生命密码——基因的研究。对人类而言，许多痛苦而棘手的疾病与基因相关，而治愈这些疾病的希望，就在修复基因突变，或是更改致病基因。8 C$ o0 H5 J, T$ S$ l2 p
从20世纪70年代开始，科学家们开始尝试修改生物基因。起先，他们发现，使用一种叫做“限制性内切酶”的蛋白质，可以剪切DNA序列从而编辑基因。随后的几十年中，基因编辑的技术几经升级，但直到CRISPR技术出现之前，并没有哪一种工具可以实现精准、简单并且高性价比的操作。5 K- B& t' g' k5 ]2 |
1987年，科学家就发现了CRISPR蛋白发挥作用的一些现象，但并未重视。2007年，丹麦一家食品公司的几位微生物学家在研究酸奶的时候意外发现了CRISPR分子。他们发现，做酸奶用的嗜热链球菌被病毒感染时，大部分的细菌都死掉了，但有一些总能留存，而存活下来的细菌，都受到了CRISPR分子的保护。
! E# q! z" [4 ?CRISPR的全称为“常间回文重复序列丛集关联蛋白系统”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins），由两部分组成：一部分是可以切割 DNA 的“剪刀”——剪接酶；另一部分则是传递基因组信息的“向导”RNA，领着“剪刀”在茫茫的基因中搜寻，直至发现特定的核苷酸序列，然后将自己贴合上去。科学家发现，一旦实现人工合成向导RNA，就能将“剪刀”送到需要编辑的基因那里。
( d. y! v4 i3 s; c% E1 _! }在发现CRISPR蛋白的基础上，科学家们开发了CRISPR-Cas9技术。Cas9核酸酶即起引导作用的RNA，这项技术就像一把剪刀，在特定的位置上剪出一个缺口，然后用好的DNA替换掉之前的错误DNA。, h) s) X0 w0 G  @3 \7 b
2012年，伯克利大学的化学和分子生物学教授詹妮弗•杜德娜（Jennifer Doudna）研究团队与德国赫姆霍兹研究中心艾曼纽•夏庞蒂埃（Emmanuelle Charpentier ）团队共同第一次证明，采用CRISPR技术可以编辑纯化过的DNA。她们的论文于当年6月份发表。2013年1月，麻省理工学院副教授张锋和哈佛医学院教授乔治•丘奇则发表了第一篇证明CRISPR技术可用于编辑人类细胞的文章。$ j& i! L# j0 F; \6 G! ~2 Y
CRISPR技术究竟算是谁发明的？专利权纠纷至今仍未结束。最初，这项专利权授予了最先提出申请的杜德娜和夏庞蒂埃。但是张锋和布罗德研究所随后认为，上述两位科学家在CRISPR技术早期取得的成果，显然没有表明这种技术是否可应用于复杂有机体。目前，张锋拿回了专利权，但另一方再度提出了重新评估的要求。
4 `9 |% ]( U1 {  ]8 C9 z3 ?* }CRISPR应用前景% n+ i* i" G, Z: x/ c
虽然争议名分的口水战还在继续， CRISPR的巨大功用已不断显现。6 h9 W. m0 N% `0 j
通过CRISPR，科学家可以改变、删除和替换任何动物里的基因。0 j: b: H: A4 O9 h7 ?! `! g
目前，这类实验多在老鼠身上进行。在实验中，研究人员已使用CRISPR在老鼠上纠正了许多遗传缺陷。此外，科学家也陆续在果蝇、酵母、斑马鱼等物种上使用这项技术。
' n0 \; q6 Q- s% B* o% r6 x  |" U在中国，科学家们对于CRISPR的应用也不落后于世界同行。早在2013年，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞就第一次将CRISPR-Cas9应用于植物，并证明了其有效性。8 ^8 i0 s0 `* W8 ?9 ^
目前，科学家已经使用CRISPR成功进行了改良小麦、西红柿等实验，生产出抗白粉病（最普遍的枯萎病之一）的小麦，以及生命周期更长的西红柿。5 y4 y, S' \" n' t  ?( m
未来，CRISPR在农业生物技术上的应用前景也很广阔。
5 e: O4 g4 |1 I3 E9 x8 Y9 s, l中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员谢旗向财新记者介绍，近两年来，CRISPR技术在植物方面的应用已经开始实现产业化，有一批公司开始提供植物的基因敲除服务。“我每天都能收到一大堆邮件，敲一个玉米基因八九万元，需要敲哪个就敲哪个。”, B: v" E0 ?  w3 ]/ o
2014年，南京大学黄行许等人使用CRISPR-Cas9基因修饰了猴子的胚胎，这些胚胎随后在母猴体内孕育，最终诞生出一对实现了基因组经过精确修改的双胞胎小猴。随后，中国科学家还陆续编辑了猪、山羊等动物的基因。
. ?1 ^9 ^! T9 q在人体研究方面，CRISPR-Cas9广泛应用于癌症研究，著名干细胞生物学家、哈佛医学院教授乔治•达利对财新记者表示，在他的实验室，研究者会使用CRISPR-Cas9关掉某一个目标基因，并观察这个改变是否能够杀死细胞，以判断此基因是否能用于抗癌药的研发。在干细胞研究中，CRISPR-Cas9还可以用来修改导致疾病突变的基因，或是建立疾病模型供研究。* k% [$ g( n( B- B
在CRISPR技术出现之前，科学家们使用另一种叫做TALEN的技术来实现基因编辑，既费劲，又昂贵，而使用CRISPR-Cas9，只需要有生物学研究的基本技能和价值几百美金的设备。
# c5 `# l/ t( z& p, a; |- X" ]“简单、操作容易、容易实现多基因的敲除。”高彩霞对财新记者表示。她是最早使用TALEN和CRISPR技术的科学家之一，她以亲身经历评价，CRISPR技术的确更好用。( U  W9 E7 R) `0 Y0 q1 [
《科学》杂志执行新闻编辑约翰•特拉维斯（John Travis）曾认为，与其他基因组编辑方法相比，CRISPR技术更精准、容易操作、成本低。数以千计的实验室，甚至高中生、“生物黑客”都能使用。7 q; g8 J. k; V: n! o
2015年，CRISPR技术又有新的突破性进展，其中之一是以CRISPR为基础的“基因驱动（gene drive）”。利用基因驱动，科学家们可以把外源基因快速引入动物群体，并由此对人类不希望存在的物种进行数量控制，比如蚊虫等。5 d1 _" i; K: G
另外，科学家还对猪基因组中的一个逆转录病毒DNA的62个拷贝进行CRISPR驱动删除，这一进展推动了未来将猪的器官用于等待器官捐赠的病人的研究。这项研究也被视为2015年CRISPR的重大突破之一。
# ^5 |  a: y# D) k/ U对于CRISPR技术本身，科学家们也在继续探索改进。张锋9月在《细胞》上再度发表论文，报道了另一种名为Cpf1的C蛋白，这个蛋白比Cas9更小、更容易操作。0 U8 |% O1 x' h: h
但以上这些进展的影响，都比不上2015年上半年中山大学发表的一项研究所造成的轰动。
- `: b) K# i( A: E, j  `1 p0 S7 t( i争议中国研究
0 @9 |  @' p  U7 Q2 T5 e/ l( ?2 D6 ]2015年4月，中山大学黄军就研究团队在《蛋白与细胞》（Protein & Cell）杂志发表论文，用CRISPR-Cas9技术修改人类胚胎中一个可能因突变导致β-地中海贫血症的基因。* s; W9 K/ C: E$ {( ?+ N
地中海贫血症是单个基因紊乱导致的遗传疾病，重度患者体内造血机能缺失，要维持生命，必须进行长期输血。该病全世界各地均有分布，在中国南方较常见。广西曾有抽样调查发现，40个县共10多万儿童中，地中海贫血基因携带者高达20%。
7 y, w$ A' R  M, |3 ^2 x& ?& ~$ T黄军就的实验使用了缺陷胚胎，胚胎由当地医疗机构提供。这些胚胎是在人工授精过程中，一个卵子意外被两个精子同时受精而产生，它会形成一种具有三套染色体（三倍体）的异常胚胎，因而无法正常发育，更不可能出生。
- j$ `% a$ u  C在试验中，黄军就使用CRISPR修改了86个胚胎，48小时后，有71个胚胎存活，其中有54个胚胎接受了基因测试，最终有28个胚胎的基因被成功修改，但只有一小部分包含替代的遗传物质。& ^: {0 B2 \$ h6 N( F( r
这样的实验结果，有可能与CRISPR技术的缺陷——基因脱靶现象有关。黄军就和一些研究者认为，该实验结果显示了Crispr-Cas9技术在修改人类胚胎基因方面还不成熟。研究发现了大量非目标基因突变现象——这种意外突变可能具有破坏性。与过去老鼠胚胎或人类成体细胞基因修改研究相比，此次实验中观察到了远高于前者的突变比例。
6 Q+ t& Y1 i1 H7 VCRISPR技术的“脱靶”现象在此前的其他试验中也有体现，在使用时，这把“剪刀”有时会剪错地方。然而，黄军就试验中成功率低的原因，还需要更全面的全基因组测序来判定。
$ y, j. m, C& ?3 ^2 p8 c有观点认为，实验成功率低，也有可能是使用缺陷胚胎所导致。黄军就同样认可这些批评，但是因为没有正常胚胎里基因编辑的先例，所以他也无从得知该技术是否会在正常胚胎里有不同表现。( o0 Z; z. V/ y7 h5 T
他仍认为，比起动物模型和成人细胞，这些缺陷胚胎是更有意义的模型，因为更接近正常人类胚胎。“我们想向全世界公布这些数据，这样人们可以知道这些模型发生了什么，而不是在没有数据的情况下，只是泛泛谈将会发生什么。”黄军就此前接受媒体采访时表示。但也有人认为，这项科学实验的意义在于，证明了目前的科学手段对于编辑人类基因组还没准备好，也给那些认为CRISPR是灵丹妙药，很快可用于敲除人类致病基因的人泼了冷水。
9 V0 f% T' W1 X: g( n9 u“如果想要在正常胚胎中编辑基因，必须确保成功率接近100%。”黄军就曾表示，“这就是为什么我们停止了实验，我们认为该技术还太不成熟。”8 p# ~2 X4 W( L1 d+ P% J
事实上，在这篇论文发表之前，争议人类胚胎细胞修改的声音已经暗潮涌动。2015年3月，美国再生医学联盟主席爱德华•兰非尔（Edward Lanphier）等在《自然》杂志上发表评论，大标题即为“不要修改人类生殖细胞”。有传言称，发表此文的背景就是当时他们已经听说中国科学家在做与人类胚胎有关的基因编辑研究。他们认为，在胚胎中基因“剪刀”可能无法有效剪切目标基因，并且在基因修饰完成之前，生殖细胞可能已经开始分裂，这会带来基因紊乱。
% s8 Z, {2 V! Q" o( G) ]比起实验的不完美，伦理争议显然更困扰黄军就。最初他们将论文投向《自然》和《科学》杂志，但均因伦理问题而遭拒绝，只好转而投向影响因子较小的国内英文期刊《蛋白与细胞》。“我们希望避免伦理争议。”黄军就曾告诉《自然》。但事与愿违，文章发表之后，还是在全球掀起一片争议浪潮。
; K9 M' M7 u) ^, V/ b% r2 V+ t0 L2015年4月，《蛋白与细胞》经过两天的审稿期发表了黄军就的论文，立即掀起巨大波澜。接下来的数月间，全球科学界的意见呈两极分化，讨论声不断。1 o1 c9 N" o4 j' W
反对浪潮汹涌而至，有些人担忧修改人类胚胎细胞会给人类带来不可控的改变，特别对有宗教情结的人来说，改变人类自身基因组无疑是对造物主的僭越。更有尖刻的批评直指中国生物研究对于伦理的不重视。
: Q& v: {" J9 [4 O9 Y7 x中国确实有基因研究的便利，谢旗认为，无神论的社会主流思潮让基因编辑的伦理问题更容易接受。对于动物福利的宽松管理也可以大大降低许多涉及动物的试验成本。“例如使用猴子做药物实验，国外有严格的规定和限制，例如一次性用药等，而且还要给猴子养老送终。”$ e$ @, O1 e( A# x2 V
来自科学家的反对则更为理性。例如上述CRISPR专利曾经的持有者杜德娜就认为，CRISPR和其他基因编辑技术还在不断的完善过程中，在人类胚胎上使用远未成熟的编辑技术有些操之过急，研究成果的价值亦有限。
5 ?" m- u8 `  @支持声音则多来自从事相关研究的科学家。在国内，清华大学陈国强、复旦大学赵世民等纷纷为此研究背书。在国外，包括CRISPR的另一位发明者乔治•丘奇（Gorge Church）在内的一批有影响力科学家均认为，黄军就并没有试图制造“变种人类”，且使用不正常胚胎的风险可控。
9 [2 H. B, C( A. i7 U对于干细胞研究，国际科学界通用的准则是，进行科学研究的人类胚胎生长不能超过14天。达利对财新记者表示，他是这项研究审慎的支持者，“经过了合适的机构伦理审查，取用胚胎时获得了同意，这项研究就是符合目前国际上对于人类胚胎研究的伦理原则的。”
) ]; L" I  I; ^争议开始后，漩涡中心的黄军就不再接受任何采访，课题组也已经停止了修改胚胎的研究。其研究合作者、中山大学生命科学学院院长松阳洲教授告诉财新记者，课题组不愿意再评论此事。他表示，国际公认的是，CRISPR目前可以用于成人细胞基因编辑。“我们还是按照国际共识去做比较好。”
8 |- g2 V; W3 i人类会定制婴儿吗？' @/ V5 h: [  ^
对黄军就论文的争议，最终促成了全世界相关的科学家坐在一起，正式开始讨论人类基因编辑的原则。
3 B( w6 Y( r, G3 K% U3 J2015年12月初，由美国国家科学院、美国国家医学院、中国科学院和英国皇家学会在华盛顿共同举办的人类基因编辑国际峰会初步达成共识，即用基因编辑技术来改写人类胚胎基因，目前不可以用于生育。如何使用CRISPR是重大的技术和伦理问题，参加这次峰会并担任委员会成员之一的达利表示，修改人类胚胎的基因然后通过植入胚胎怀孕生产将是极具挑战性的伦理问题。以人类目前所掌握的知识，这样做并不安全。
. ~4 n. D: @; B* H, {0 x: @: U3 U  ~' V峰会声明认为，强化基因编辑技术的基础和临床前期研究“是必要的”，应在适当的法律和道德监管监督下继续开展。但是，经过基因编辑的早期人类胚胎或生殖细胞不得用于怀孕目的。在相关的安全性和有效性问题已经得到彻底解决之前，利用生殖编辑技术的任何临床应用将是不负责任的。- D+ k9 {  t1 Y
这项声明为基因编辑研究设立了有条件的红线，即“在技术不成熟，安全性、有效性不能保证的时候”不得使用。那么，当CRISPR发展成熟，甚至更先进的基因编辑技术出现的那一天到来时，人类就可以编辑自己的基因了吗？, S. P6 A, Q3 t+ r: Z1 L0 R. {
“一旦完善了转化与敲除/敲入技术，理论上科学家什么事都可以做。这个时候就要有规则。”谢旗表示，基因编辑要有所为，有所不为，对于研究的伦理道德，一定要制定法规。
# n$ [+ q- D6 n: J5 W上述峰会声明中指出：“随着科学知识进步和社会认识发展，对生殖细胞编辑的临床使用应定期重新评估。”
7 m) `. W/ Y% m1 A; Q“西方迟早会重新审视伦理道德的要求。”谢旗表示， 像遗传引起的白化病这样的疾病，目前没有治疗方法，而改写基因之后，就可以保证不会遗传给后代。“那么，为什么不去做一下呢？”谢旗认为，基因编辑面临的舆论争议与避孕、试管婴儿等技术类似，最终技术发展还是会被需求推动的。2 O1 |  ?+ M/ B1 }3 t9 s4 C
事实上，早在掌握精准的生物技术之前，人类已经在人为改变自然界的基因。从作物杂交、转基因技术、靶向治疗到CRISPR基因编辑，科学家在向解密生命密码，甚至修改生命密码一步步走近。
( [# j7 N- \5 P  @8 a# S7 R到技术成熟的那一天，改变人类后代的基因仍然是个艰难的伦理问题，达利表示，“谁能够决定到底哪些基因修饰是有医学必要的？”2 o& n: {: Z" b
究竟哪些疾病重大到需要在胚胎时期修改基因？是致命地中海贫血，有限影响寿命长度的白化病，还是唇腭裂？如果说可以使用CRISPR治病，那么给自己的后代加点“好处”是否可以呢？当技术发展到一定程度，也许定制一个双眼皮、白皮肤、高智商、具有艺术天赋的婴儿将不再是天方夜谭。! W+ t' \5 p  n4 `( i, h$ B
人类是否可以人为地让某一个人类个体天生具有优于别人的某些特质？达利又提出疑问，当任何人都能编辑基因的时候，会是什么场景？
7 s' H6 k$ r% u* T6 O在接受《纽约客》采访时，杜德娜讲述了她做过的一个噩梦：有天接到一个邀请，某位“重要人物”想和她谈谈关于CRISPR的应用。欣然赴约时，她发现，想要了解这项神奇技术的，是阿道夫•希特勒。被吓醒之后，这个梦境时时折磨着从事CRISPR研究的杜德娜。
. k1 z; ~. F) W4 n: N“在赫胥黎的《美丽新世界》里就曾经描述过这样的世界：一些人的基因被设定为奴隶阶级，为掌权的特权阶级服务……我们会想要这样的世界吗？”达利说。
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