6.4 基因编辑在线视频

同学们 大家好

今天我们来聊一聊基因编辑的话题

每个生命体的细胞都包含着一份基因组

里面有众多的基因

书写这些基因的字母是DNA的碱基序列

DNA是双螺旋结构

两条单链的结合

遵循的是简单的配对规则

A配T G配C

基因在个体以及物种的层面上

塑造了我们人类

还有整个的生物圈

对于人类来说

基因也深刻地影响着健康

几十年来

得益于DNA测序技术的飞速发展

研究人员识别出了几千个影响患病风险的基因

要理解基因的工作原理

研究人员需要一些方法来控制它们

比如打开或者关闭

上调或者下调

但是

改变细胞中的基因是不容易的

基因编辑技术的出现和进步

有望大幅提升我们编辑任何物种DNA的能力

包括人类本身

基因编辑技术使用的是

一类切割细胞中特定DNA序列的酶 核酸酶

针对具体的一个或者几个目标基因进行删除

修复或者替代

30年前

第一次基因编辑是在酵母细胞的实验中完成的

但是直到2012年

随着CRISPR Cas9系统出现

并且迅速成为目前最受欢迎的基因编辑手段

诞生于上世纪70年代末的

重组DNA技术才在生物 制药和医学领域

真正被视为一种革命性进步

CRISPR

也就是规律成簇的间隔短回文重复

源于大自然中

是细菌用来保护自己免受病毒感染的一种方法

准确地说是一种细菌的获得性免疫的机制

和我们人类不一样

作为原核生物的细菌没有复杂完善的免疫系统

更没有可以产生有效抗体和免疫记忆的B细胞

因为细菌本身也只是一个单细胞生物而已

但是

细菌利用自身的CRISPR系统

同样可以达到记住曾经的感染源

并且在下次感染的时候有效将其杀灭的效果

这种细菌的免疫机制具体来说大概是这样的

当细菌检测到病毒DNA的存在时

就会生产出两种短片段的RNA

其中一种包含着一段序列

能与入侵病毒的序列相配对

然后

这两个RNA

与一种名为Cas9的蛋白质结合在一起

共同发挥作用

Cas9是一种核酸酶

能够切割DNA

当一段名为向导RNA的配对序列

在病毒的基因组里发现目标DNA

也就是说

这是细菌记得的

曾经被感染过的病原

那么Cas9就会将这段病毒DNA切割

使病毒失去活性

之后

研究人员发现

通过设计

可以实现类似方式切割的不仅仅是病毒DNA

而是任意的DNA序列

而且是在精确选择的位置

确定特异序列和精确位置的方法是改变向导RNA

让它和目标DNA相配对

更加令人惊叹的是

这种基因编辑方式不仅能在试管中实施

还能在活细胞的细胞核里实施

这个基因编辑系统一旦进入细胞核

刚才提到的Cas9与两个RNA的复合体

就会锁定一段名为PAM的短序列

Cas9将解开DNA

并将它与目标DNA配对

如果配对完整

Cas9就会用两个小小的分子剪刀

分别切断DNA的两条链

这时

细胞将试图修复DNA上的切口

但修复过程往往会出错

于是变异产生了

这样一来

目标基因就失效了

而研究人员就能够借此得知这个基因的功能

这种变异是随机的

但有时研究人员需要精确一点

比如

希望用健康的基因

来代替变异的基因

那么

具体的做法是

在之前的系统中加上一段别的DNA

而这段DNA携带着所需要的替代序列

当CRISPR完成切割

这个替代DNA模板就能与切口配对

重新组合起来

替代掉原先的序列

换上新序列

以上提到的这些操作

都能在培养的细胞中实施

包括能生成多种细胞的干细胞

也能在受精卵中实施

创造出含有特定变异的转基因动物

在过去几年里

CRISPR Cas9是科学界耳熟能详的

一项基因编辑技术

一直占据着新闻媒体的头条

很多人都认为

因为它的精准 廉价和易于使用的特点

这种基因编辑技术将改变我们周围的生物

改变我们的星球

改变我们生活的社会

乃至我们人类自己

那么

我们究竟可以用CRISPR Cas9系统

做些什么呢

首先

CRISPR技术可以纠正导致疾病的基因错误

比如

亨廷顿氏舞蹈症

这是一种显性遗传性疾病

病因是由基因突变

或者第四对染色体DNA的CAG

三核苷酸重复序列过度扩张

而造成脑部神经细胞持续退化

导致患者产生情绪波动

不可控的震颤抽搐等症状

2017年6月

已经有科学家们在科研论文中报道

CRISPR系统

可对患有亨廷顿舞蹈症的小鼠大脑中

产生毒性蛋白质聚集体的部分基因进行剪切

使得聚集的毒性蛋白在几周内逐渐消失

尽管没有达到对照小鼠的水平

但是疾病小鼠的运动能力的确有所改善

当然

我们中国的科学家

也在这个领域取得了丰硕的成果

2018年3月末

我国科学家领衔的国际研究团队

首次利用基因编辑技术

和体细胞核移植技术

成功培育出世界

首例亨廷顿舞蹈症基因敲入猪

能精准地模拟

这种人类神经系统的退行性疾病

虽然之前已经

有了小鼠和猕猴的同类动物模型

但是小鼠和人亲缘关系太远

许多被认为有效的治疗药物对小鼠模型有效

而对病人往往无效

而猕猴模型中的转基因猴

基本在出生后较短时间内死亡

无法繁殖后代

而由中国科学家研究出的亨廷顿舞蹈症猪模型

不仅能模拟亨廷顿舞蹈症病人

在大脑中特异神经元

选择性死亡的典型病理特征

而且表现出类似亨廷顿舞蹈病舞蹈样的异常行为

更重要的是

这些病理特征和异常行为

都可以稳定地遗传给后代

这一成果为我国脑科学与类脑研究

提供了最新手段

也标志我国大动物模型研究走在了世界前列

其次

CRISPR技术可能可以

帮助我们消除导致疾病的微生物

比如大家谈之色变的HIV

人免疫缺陷病毒

所有人都知道彻底

根除HIV将是一场艰苦的战斗

因为这种病毒不仅能攻击人体内的免疫细胞

而且也是一个臭名昭著的突变体

当HIV劫持体内的免疫细胞并开始复制后

它会产生多种基因变异来逃避药物治疗

这种耐药性是治疗HIV感染者的一个重大问题

不过

CRISPR技术已经将

攻克HIV这件事情提上了日程

2017年5月

坦普尔大学和匹兹堡大学的研究者们

已经通过CRISPR系统

清除活体动物基因组的HIV DNA

进而关闭了病毒复制的能力

这项研究也首次证明了CRISPR技术

可在三种不同的动物模型中切断HIV的复制

最终清除这种病毒

中国的科学家则着眼于更上游的机制

希望能运用CRISPR技术复制一种变异基因

来有效地阻止病毒进入细胞

从而增大机体对HIV的抗性

第三

CRISPR技术将可能根除地球最危险的害虫

比如蚊子

蚊子是我们非常讨厌的害虫之一

蚊子的叮咬

除了会让我们感到瘙痒难受之外

还会传染很多疾病

比如疟疾 登革热等

根据世界卫生组织统计的数据

2015年

大约有2.12亿人感染疟疾

和大约42.9万人死于疟疾

为了解决这个问题

伦敦帝国学院的研究小组

正致力于减少蚊子的数量

来控制疟疾的传播

他们的办法是

通过CRISPR基因修饰系统

对雄性蚊子的基因进行修饰

让它产生更多的雄性后代

对雌性蚊子的基因进行修饰

让它生育能力降低

最终蚊子的数量就会大大减少

而加州大学的研究者

则希望通过削弱蚊子的飞行能力和视力

并确保这种缺陷是可以遗传给后代的

从而大幅降低蚊子

在人类传播危险性传染病的能力

目前

基于CRISPR的研究速度增长之快令人震惊

那么

这项技术可以用于人类自己吗

其实很多动物疾病模型的研究

最终目的都是希望应用于人类自身

但是

当这种技术涉及人类胚胎时

相关的人类研究

就会引起政策制定者

和利益相关者的一些担忧

我们该如何评估和限制技术的使用范围呢

有人提出

人类胚胎的基因编辑

只有在某些条件下才是可以被接受的

比如

只有在矫正疾病或者改善残疾的时候

而不是以提高一个人的外貌

或者能力为目标

满足了这个前提

改变胚胎 卵子和精子中基因的行为

在道德上才是被允许的

听起来很有道理

但是这把评价的尺子

又该掌握在什么人手里呢

即便还有这样或者那样的疑问

前瞻性的研究其实已经开始了

2017年

中国广州医科大学刘建桥教授的研究团队

首次通过CRISPR技术

对6个可移植的人类胚胎

进行了基因编辑

并成功修复了其中三个胚胎内的遗传变异

这项研究让人类向设计出

不会患某些遗传性疾病的婴儿迈出重要一步

科学

向来是一把双刃剑

CRISPR基因编辑技术也不例外

刚才谈到的许多科技进展仅是刚刚开始

像CRISPR这样的基因编辑技术

还具有充足的潜力有待挖掘

同时

我们也不能否认

技术和伦理障碍

是未来基因编辑技术发展

必须正确面对的

每项科学技术的应用

我们都需要评估

它的效益 风险 规范

以及社会伦理问题

为了能够更好地

以及更为广泛地使用基因编辑技术

为人类健康造福

我们应该全面评估

由基因编辑技术

带来的科学 伦理以及社会问题

并建立有效的监管体制

确保这项技术安全地 合理地被使用