生物学新利器是把双刃剑——全新基因编辑技术引发研究领域巨变

作者：张馨予

美国旧金山格莱斯顿研究所遗传学家Bruce Conklin一直试图找到DNA变异如何影响不同的人类疾病，但使用的工具有些笨重。当他研究来自病人的细胞时，很难知道哪个序列对疾病来说很重要，哪些只是背景噪音。同时，将突变植入细胞是一项昂贵且费力的工作。

2012年，他通过阅读了解到一项最新发表的、被称为CRISPR的技术。它能使研究人员快速改变几乎任何生物体的DNA，包括人类。此后不久，Conklin放弃了此前为疾病建立模型的方法，转而采用这项新技术。目前，他的实验室正在狂热地改变同各种心脏疾病相关的基因。“CRISPR正带来翻天覆地的变化。”Conklin说。

这种情感被广泛共享：CRISPR正在生物医学研究领域引起一场巨变。不像其他基因编辑手段，它使用起来廉价、迅速且简单，并因此席卷全球实验室。研究人员希望利用它调整人类基因以消除疾病，创造生命力更加顽强的植物，并且消灭病原体。“自从事科研以来，我经历过两次大的发展。”康奈尔大学遗传学家John Schimenti表示，像在1985年被发明后使基因工程领域发生革命性变化的基因扩增方法——PCR一样，“CRISPR正通过如此多的方式影响生命科学”。

不过，尽管CRISPR前途大好，但一些科学家担心，这个领域极快的发展步伐几乎没有为解决类似试验可能引发的伦理和安全问题留出时间。当今年4月关于科学家利用CRISPR改造人类胚胎的新闻曝出时，该问题被推到了聚光灯下。虽然他们使用的胚胎无法使婴儿安全出生，但这项报道引发了关于是否以及如何使用CRISPR使人类基因组产生可遗传的变化的激烈争辩。同时，还有其他的顾虑存在。比如，一些科学家担心，接受过基因编辑的生物体会扰乱整个生态系统。

引发研究革命

长久以来，生物学家一直在利用分子工具编辑基因组。大约10年前，他们因一种有望精确且高效地编辑基因、被称为锌指核酸酶的酶而兴奋不已。不过，马萨诸塞州布兰迪斯大学分子生物学家James Haber表示，需要花费5000多美元才能订购到的锌指并未被普遍采用，因为它们很难进行基因改造且花费颇高。CRISPR却大不相同：它依靠一种利用引导性RNA分子将其导向目标DNA、被称为Cas9的酶，然后编辑DNA以扰乱基因或插入想要的序列。通常，研究人员需要订购的只是RNA片段，其他成分都是现成的。全部花费只有30美元。“这使得该技术走向大众化，因此每个人都在使用它。”Haber说，这的确是一场巨大的革命。

CRISPR方法正快速超越锌指核酸酶和其他编辑工具。对一些研究人员来说，这意味着要放弃曾花费数年来完善的技术。“我很郁闷。”英国韦尔科姆基金会桑格学院研究所遗传学家Bill Skarnes说，“但又很兴奋。”Skarnes在自己职业生涯的大部分时间都在使用上世纪80年代引入的一项技术：将DNA插入胚胎干细胞，然后利用这些细胞产生转基因小鼠。这项技术变成实验室的主力，但同时耗费时间且非常昂贵。CRISPR所需时间很少，因此Skarnes在两年前采用了这项技术。

研究人员传统上严重依赖诸如小鼠、果蝇等模式生物。目前，CRISPR使在更多生物体中编辑基因成为可能。例如，今年4月，马萨诸塞州怀特海德生物医学研究所研究人员的报告称，利用CRISPR研究了白色念珠菌。这是一种在免疫系统减弱的人群中尤其具有致死性但一直很难在实验室中进行基因操控的真菌。来自加州大学伯克利分校的CRISPR技术先驱Jennifer Doudna正在记录被CRISPR改变的生物清单。截至目前，她已拥有近40个条目，包括致病寄生虫——锥体虫和被用来制造生物燃料的酵母菌。

然而，快速的进步有着自身的弊端。“人们根本没有时间描述这个系统中一些最基本参数的特征。”加州大学旧金山分校生物物理学家Bo Huang说，“现在有这样一种心态，即只要它能发挥作用，我们就不需要理解它是如何以及为何发挥作用的。”这意味着研究人员偶尔会遇到故障。Huang和他的实验室奋斗了两个月，使CRISPR适用于成像研究。他怀疑，如果对如何使引导性RNA的设计最优化了解得更多，耽搁的时间会更少。

获得广泛应用

去年，麻省理工学院生物工程学家Daniel Anderson和他的同事在小鼠身上利用CRISPR修正了一个同人类代谢性疾病相关的突变tyrosinaemia。这是首次利用CRISPR在成年动物体内修正致病突变，并且是将该项技术用于人类基因疗法的一个重大进步。