基因编辑的前沿

想象一个没有囊性纤维化、艾滋病毒或疟疾的世界;那里的作物抗旱，父母们再也不用担心他们的孩子会遗传一种可怕的疾病。这可能看起来很牵强，甚至是乌托邦，但这是一个潜在的现实，这要归功于三年前发现的基因编辑技术。

这项技术被称为Crispr(聚集规则间隔的短回文重复序列)，是之前基因编辑技术的进步。原则上，它更精确、更快、更简单、更便宜，具有删除、修复或替换基因的能力。从人类生物学到农业，科学界都对这一发现兴致勃勃。

例如，汤森路透(Thomson Reuters)在2015年初对热门研究的分析中指出，在引用最多的10篇出版物中，有3篇Crispr论文基因编辑初创企业已经出现，投资金额高达数千万英镑．现在，各公司都在竞相利用这一工具的商业优势，诺贝尔奖也被吹捧为迫在眉睫。他说，潜力真的是巨大的亚历山大·马森他是美国加州大学旧金山分校的临床研究员。“从基础科学到临床应用，它的应用和发展速度令人震惊。”

围绕Crispr的炒作是惊人的，而且在很大程度上是有道理的。医学科学家们可以看到，在不久的将来，以前无法治疗的遗传疾病将有新的治疗方法，许多疾病甚至可以被消除。与此同时，用农业解决方案来养活不断增长的人口已经触手可及，生物燃料可能会变得司空见惯。

什么是Crispr?

奇怪的是，这一切都是由细菌造成的。在那里，科学家们发现了重复并穿插着独特序列的DNA序列，这就是所谓的Crispr。进一步的研究发现，这种独特的序列是病毒DNA，来自感染细菌的噬菌体病毒。这些细菌基本上记录了病毒感染，形成了它们漂亮的微生物免疫系统的一部分。另一部分位于Crispr序列附近;编码Cas (crispr相关蛋白)酶的基因，这种酶具有dna切割能力。

围绕Crispr的炒作一直是惊人的

病毒DNA序列被复制成RNA链，并与Cas酶连接。产生的分子漂浮在细菌细胞中，寻找与它们的RNA链特别匹配的病毒DNA。匹配的结果是RNA和病毒DNA配对，使Cas酶迅速发挥作用，剪断病毒DNA，阻止病毒感染。

这种细菌卫星导航和剪刀的组合已被开发成一种非凡的基因组编辑器，针对任何生物体中的特定基因，具有删除、修复或替换它们的能力。科学家们所需要做的就是合成一个大约有20个碱基的引导rna (gRNA)分子，与目标基因序列相匹配，并将其与Cas酶(Cas酶有很多)连接起来。最常用的Cas酶是Cas9——来自引起链球菌性咽喉炎的细菌——因为它的高效率和创造双链DNA断裂的能力。这就产生了Crispr - cas9的命名法，尽管这个系统通常只被称为Crispr。

然后gRNA-Cas9复合物靶向特定基因，通过RNA-DNA碱基配对进行编辑，Cas9完成切割。一刀就会使基因失效。用两个grna进行两次切割，去除基因。如果基因有缺陷，可以通过向细胞中添加一个正常的基因副本来修复，这个基因副本与被切断的DNA末端配对，再次形成一个DNA分子。新的基因也可以通过这种方式插入到基因组中。多个grna也可以同时诱导多个切割，同时编辑多个基因。

原则上，纠正或替换功能失调的基因可以导致正常的基因表达和疾病的完全纠正，他说比尔Lundberg他是基因编辑初创公司Crispr Therapeutics的首席科学官。他说:“更广泛的学术界对Crispr-Cas9的迅速采用以及他们研究的集体努力反过来推动了该领域的巨大进步。”对我们这个行业来说，这是一个令人兴奋的时刻。

把科学

这项技术的变革潜力是巨大的，他说Anette Breindl她是哈佛大学的高级科学编辑汤森路透生物世界．她说:“原则上，可以用Crispr完成的编辑可以在使用[早期的基因编辑技术]锌指核酸酶(ZFN)和转录激活剂样效应核酸酶(Talens)之前完成。”但这些技术的缺点是需要为每个基因目标开发特定的dna结合蛋白，而Crispr使用的是RNA。“设计一个结合蛋白比找出你想要的目标DNA的互补RNA序列要复杂得多。”

然而，ZFNs和Talens正开始证明它们在人类基因靶向和编辑方面的价值。生物技术公司Sangamo Biosciences已将其ZFN体内基因编辑研究进展到临床，美国食品和药物管理局(fda)已批准了一项体细胞艾滋病毒项目(这些细胞不是遗传的)，该项目已治疗了80多名艾滋病毒感染者。血友病的一期试验将于2016年开始。与此同时，Talens最近在临床中被用于基因工程免疫细胞，以帮助对抗一个年轻女孩的白血病。尽管取得了这些成功，但许多研究人员认为Crispr负担更轻，更有效。这种新方法节省的成本也是可观的。

在农业领域，Crispr的潜力在于提高抗旱性和抗病性，去除食物过敏原和改善营养成分。例如，化学公司杜邦(DuPont)最近与立陶宛维尔纽斯大学(Vilnius University)和基因编辑初创企业Caribou Biosciences签署了在这一领域应用的协议。“我们相信Crispr-Cas在促进植物育种和扩大可供种植者使用的农业解决方案范围方面具有巨大潜力，”他说Neal Gutterson他是杜邦先锋公司研发副总裁。

他说，Crispr可以加速植物育种，保护植物健康，提高作物产量，并“使我们能够创造出更好的解决方案，从而减少对环境的影响——例如，改进作物，使其使用更少的水或更有效地使用化肥”。人们对转基因作物的兴趣如此之大，以至于今年早些时候，美国农业部(Department of Agriculture)开始就转基因作物的监管征求意见，以跟上加速发展的步伐。

Crispr在工业生物技术领域也很热门。它可能被应用于产生更好的细胞工厂，用于化学物质和蛋白质的生物生产，并为洗衣液或水处理创造新的酶，所有这些都是活跃的研究领域。酵母已经被改造成可以消耗植物物质并排泄乙醇，这可能为取代石油化工产品铺平道路，而食品企业集团正在研究如何将Crispr用于生物活性食品和发酵食品。这项技术还可以用来降低杂草的侵入性，改善牲畜的某些特征，甚至创造新的宠物市场，比如小猪或设计狗。

另一个令人感兴趣的领域是通过消灭携带疟疾的蚊子来消除疟疾。美国科学家最近培育了一种经crispr基因工程改造的抗疟疾蚊子。他们认为，这种昆虫将无法将携带疟疾的寄生虫传播给人类。这将是一项重大突破，它为其他研究人员利用Crispr探索基因驱动技术的工作提供了一种更令人满意的选择。基因驱动技术是指将突变传递给几乎所有后代，并在种群中迅速传播，目的是完全消灭蚊子。这引起了生态学家的警惕，他们列举了一些不可预见的后果，比如以蚊子为食的蝙蝠受到了影响，或者一些生物占据了蚊子的旧栖息地。

Crispr在医学中的应用

Crispr的美妙之处在于应用广泛，但最令人兴奋的发展之一是它在人类健康和治疗方面的潜力。从基础研究的角度来看，Crispr可以帮助更好地了解人类疾病，并发现新的治疗靶点或基因疗法。例如，Crispr已经被用于在实验室动物中引入或改变基因，以产生模拟人类疾病的复杂动物模型，以观察疾病的进展。在其他动物模型中，基因也被失活，以研究可能的物理影响，而其他动物模型则被替换有缺陷的基因，以“治愈”遗传疾病。

未来的希望是将目前在实验室中的科学应用到人类的临床环境中，但首先仍有重大障碍需要跨越。一个主要问题是弄清楚如何让Crispr机器进入需要基因编辑的细胞。在实验动物身上，试图通过药物输送系统将Crispr复合物引入人体或目标器官(如肝脏或胰腺)已被证明是困难的，而且此类研究还处于起步阶段。

尽管如此，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的研究人员仍能够治愈患有一种罕见遗传性肝病的小鼠，他们使用大功率注射器将Crispr注入静脉，在静脉中发现，大约每250个肝细胞中就有一个插入了缺陷基因的替代物。研究小组指出，虽然这一过程是成功的，并在小鼠身上逆转了这种情况，但同样的输送系统不适用于人类。

目前大多数研究使用的细胞可以很容易地从体内取出，编辑，然后返回体内以产生治疗效果。免疫细胞、血液细胞和一些干细胞(可以转化为其他类型的身体细胞)被认为是最好的候选者。到目前为止，还没有经过Crispr编辑的细胞被送回人体。但利用人类血液和免疫细胞的基础研究正在进行中。

2015年，韩国科学家报告说，他们从患有导致a血友病的F8基因缺陷的人身上提取了一种干细胞，并应用Crispr技术纠正了该基因。工程干细胞随后被诱导分化为另一种类型的细胞，并移植到F8缺陷小鼠体内。这些小鼠继续表达正常基因，不再缺乏f8，有效地治愈了疾病。

与此同时，马森的团队一直在探索Crispr在人类t细胞(一种免疫细胞)中的应用。马森说，通常情况下，Crispr被包装在无害的病毒中，劫持病毒感染过程，将Crispr运输到细胞中，但在人类t细胞中，这是一个效率低下的传递系统。

Crispr可以生产出耗水量更少的改良作物

因此，他的团队用电场刺激t细胞，让一种特殊设计的Crispr复合物穿梭在细胞膜上由电击产生的小孔中。它起作用了:50-60%的t细胞可以被编辑，在20%的细胞中，Crispr机器能够切割并插入特定的DNA序列到基因组的目标位置。通过这种方式，研究小组改变了培养皿中收获的t细胞中的两个基因:CXCR4，它是HIV进入t细胞的入口;PD-1可以阻止t细胞有效杀死癌细胞。他们的愿景是重新设计t细胞，使它们能够抵抗艾滋病毒或增强它们的抗癌性能。

马森说:“对我们来说，Crispr的优势在于它是可扩展的，我们可以快速查看大量的基因。”“这一领域的进展速度让我深受鼓舞，尽管它仍处于临床前阶段。马森现在正在寻求使用Crispr来理解为什么免疫系统不能正常工作，设计更好的t细胞，并寻找未来的治疗靶点。他还认为，Crispr可能是CAR-T(嵌合抗原受体)研究的有力工具。在CAR-T研究中，t细胞从癌症患者体内取出，经过改造，具有抗癌能力，然后重新引入患者体内。

人类生殖系编辑

2015年4月，中国科学家首次编辑人类胚胎基因组的消息震惊了世界。来自广州中山大学的研究小组旨在使用Crispr来替换导致血液疾病ß-地中海贫血的基因。

科学家报告说，在注射了Crispr的86个不能存活的胚胎中，只有28个被编辑过，含有新基因的更少。一些镶嵌，其中只有胚胎中的一些细胞被编辑，并且还观察到脱靶切割。“我们的研究强调了Crispr-Cas9临床应用面临的挑战，”报告作者周灿泉(Canquan Zhou)和黄俊久(Junjiu Huang)当时写道。他们声称，这项研究表明Crispr仍处于起步阶段，并敦促在临床应用之前“迫切需要”对Crispr在人类身上的进一步研究。

虽然这项研究强调了仍然需要解决的局限性，但它也引发了一场巨大的辩论。对许多人来说，人类胚胎研究已经越过了一条线，预示着人们担心会滑向设计婴儿和优生学，以及可能引入并遗传给后代的意外突变的威胁。

然而，科学家们不需要这篇中国论文就知道，Crispr可以以这种方式应用于人类胚胎和种系(生殖细胞、卵子和精子)，这将导致遗传变化，并传递给后代。美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学伯曼生物伦理研究所的外延和研究支持主任Alan Regenberg说:“关于人类种系基因改造的争论已经发生了几十年。”点击这里阅读我们对他的采访)．“但现在，由于新的基因编辑技术价格低廉、易于获得且精确，这种担忧正在被放大。”这些特性使得这项技术应用于人类的前景突然变得非常现实。”

围绕中国论文的争论加速了召开峰会的必要性。2015年12月，科学家们在美国华盛顿特区聚集了三天，就如何继续进行Crispr和其他基因编辑研究达成了共识。结论是，基础和临床前基因编辑研究是允许的，即使是在人类胚胎和种系中，但“修改后的细胞不应用于建立怀孕”。在现有的监管框架内，基因编辑被用于临床应用，以治疗血液和免疫细胞等不能遗传的人类细胞中的疾病，也被认为是适当的。

但是人类生殖系编辑，无论是为了消除遗传疾病并阻止它们传给后代，还是为了增强人类的能力，都被认为风险太大，问题太多。双方一致认为，这一立场应“定期重新审视”，并应建立一个国际论坛。

Regenberg说，这些结论意味着研究可以以这种方式继续下去，为人类遗传学和发展提供新的见解，并为基因编辑的安全性和有效性提供更多信息。这对包括英国弗朗西斯克里克研究所(Francis Crick Institute)在内的许多机构来说都是好消息。该研究所目前正在寻求通过Crispr技术对人类胚胎进行基因改造，以研究不孕症。胚胎最终会被摧毁，但克里克大学的研究人员希望研究人类成功发育的早期阶段所需的基因，以了解为什么在某些情况下会发生流产。

但仍有令人生畏的未知因素。这场辩论凸显了伦理和社会方面的担忧，但也围绕着Crispr的安全性、有效性和未知后果打上了问号。这些包括脱靶突变和编辑——不仅在人类治疗中，而且在Crispr的所有潜在用途和应用中。还有后勤方面的挑战:如何让Crispr机器进入人类细胞，而不将它们从体内取出。与此同时，新的基因切割酶已经被发现，与Cas9相比，它们的效率存在问题。关于各种基因组还有很多需要了解的地方:哪些基因编码什么，它们是如何相互作用的，以及它们是如何被调节的。布林德尔说:“Crispr技术发展如此迅速，以至于人们很容易忘记这种方法只有几年的历史。”

也就是说，技术正在发展，Crispr的使用将寻求回答这些问题。尽管存在争议，以及未来可能会发生什么，但这项技术没有显示出放缓的迹象。Crispr似乎正在发挥其潜力。