基因编辑：“改码”以后我们会怎样

罗元婕

过去几十年间，DNA测序技术快速发展，令成本持续走低，从原先的高不可攀到如今不过千元价格。随之而来的，无论是科学界还是大众对其了解也越来越深。然而，如何对一个活细胞的基因进行相关操作，对科学家来说还是一个问题。眼下，新型基因编辑技术CRISPR改变了科学界对遗传工程的理解，这项炙手可热的技术预示着一个全新的生物医学时代的开启。

镰形红细胞贫血症（Sickle Cell Anemia）是一种隐性基因遗传病。正常血红细胞是椭圆形的，而得了该病的患者其红细胞为镰刀形，携带氧气量只有正常血红细胞的一半。这样的细胞僵硬、变形性差、易破而导致溶血，从而造成血管阻塞、组织缺氧、损伤、坏死，甚至引起生命危险。

科学家们完全知道这一疾病的成因，早就定位了它是由哪一对DNA的问题引起的，但一直并没有找到真正的办法来对这对DNA“下手”。目前常规的做法是通过移植另一个人的健康造血干细胞来治疗。但这种疗法用时长，效率低，寻找与病人配对的干细胞更是一个棘手的问题。

现在，CRISPR基因编辑技术出现了，该技术通过编辑哺乳动物和其他生物的活体细胞内基因组，很有可能用以彻底治疗像镰形红细胞贫血症这样的基因疾病。

靠“修正”一段基因来治病

研究发现，细菌细胞内的一种DNA序列——CRISPR（它有一个非常拗口的中文名字：“常间回文重复序列丛集”）及其相关蛋白（Cas，是一种内切酶）和很多病毒的DNA序列是互补的，说明CRISPR–Cas系统很有可能像人类免疫系统一样，是细菌抵御外来入侵者的一套特别防御机制。外来病毒入侵后，内切酶 Cas通过“向导RNA”（sgRNA）的指引，对入侵病毒的DNA分子进行定点切割，使特定DNA的双链断裂。切割之后细胞又会对断裂的DNA 进行修复。如果采用的是一种名为“同源重组机制”的方式，那么它就会用另一段DNA 片段填补断裂的DNA缺口，带入一段新的遗传信息。CRISPR-Cas系统需要多种蛋白的参与，但很多细菌只需要Cas9就够了，这也是该系统得名的原因。

CRISPR在1987年以一种“奇特细菌重复序列现象”被发现，后来确认其为细菌后天形成的免疫防御机制，进而发现它的目标是DNA，直至今日，它才成为一项基因工程技术，其间经历了二十多年的历史。

2012年6月，生物学家詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）和艾曼努尔·卡蓬提尔（Emmanuelle Charpentier）带领的科研小组发布了他们的研究结果，第一次使CRISPR这种自然的免疫机制证明了Cas9可以在体外切割任意DNA片段，开发出一种能够对基因组进行特异性定点改造的工具。根据该免疫机制的原理，如果想找寻特定的基因，科学家只要合成Cas9和带有与目标基因序列相仿的一小部分RNA（即向导RNA），就能坐等向导RNA带Cas9找到特定位置，并剪断目标DNA的双链。

2013年，佐治亚理工学院的生物工程学教授包钢利用CRISPR技术，配合几年前开发出来的另一种基因工程技术TALENs （一种可以定位DNA位置的特殊蛋白），修正了长在培养皿中的人体细胞的镰形红细胞变异基因。根据这项研究的结果，从患者自己的骨髓中提取造血干细胞，利用CRISPR技术定位并修正其基因变异的部分，把修正后的干细胞放入患者体内，就能让它们造出正常的血红细胞来。这彻底改变了目前治疗镰形红细胞贫血症的手段。对于自己所取得的研究成果，包钢说，“如果有50%的血红细胞被替换，那么病人就会好受很多；如果能替换70%，那么病人就算被治愈了。”

但镰形红细胞贫血是由单个基因变异导致的遗传性疾病，且科学家早已发现，这个变异基因位于血红蛋白的β链上。包钢和他的团队选择研究该基因，正是考虑到它的成因简单，变量小，适合用于人类基因编辑的初期探索。相比之下，还有很多复杂疾病，如自闭症、精神疾病、心脏病、糖尿病、肿瘤等，是由多个变异基因相互作用引起的，且每个病人都有各自的病症表现。虽然过去几十年间基因工程已经发展到能将某些基因与特定疾病联系起来，但这些病症的表现形式和基因之间的关系如何，这一问题对科学家来说还是一项巨大的挑战。

2013年11月，云南中科灵长类生物医学重点实验室利用CRISPR-Cas9编辑了受精卵中的3个基因，创造出了一对带有精确基因突变的猕猴，证明了CRISPR技术能被用在灵长类动物的基因编辑上，但目前绝大多数实验室用的实验对象还是小白鼠，基因变异无法在培养皿里发生。之前，每只老鼠只能被用于观察一种基因突变现象。即便老鼠每三周就能繁衍出下一代，这种方式费时长，且要控制的变量很多，更不可能同一时间观察到多个基因突变引发的病症。

麻省理工学院年轻的华人科学家张锋率领他的团队，自2013年第一次在《科学》杂志上发表 CRISPR技术能用于哺乳动物的基因组编辑的结论后，对神经医学等复杂病症的探索一刻也没有停歇。张锋和他的团队将Cas9从CRISPR系统中分离出来，移植到小白鼠的胚胎里，使之成为小白鼠一个永久的基因。也就是说，这些小白鼠生来就自带Cas9， 每次实验，只需注入特别合成的RNA片段加以观察即可。这样一来，操作过程更为简化，用时更短。

举个例子，科学家认为自闭症和几个特定神经细胞的异常活动有紧密联系，但脑神经细胞数量达上亿，如果用原来的办法一个个试，庞大的工作量极具挑战性。而现在，将那几个与自闭症可能相关的变异基因同时注射到小白鼠体内，便能静待CRISPR起作用，观察小白鼠的病症。“这样一来，我们就能发现自闭症的不同生理表征，了解其病理成因，这对未来开发对应药物很有用”，张锋接受采访时说，同理，这样的方法也能运用到帕金森症、老年痴呆症、精神分裂症、癌症等一系列疑难杂症上。将来，生物医疗领域将有可能出现爆炸式的发展。这也是基因编辑技术目前如此火爆的原因。

从“脱靶”的风险到“基因订制”的伦理问题

CRISPR技术虽然前景光明，但毕竟还处于初期发展阶段，人工编辑基因在医疗上的应用暂时还面临许多障碍，而其中之一就是“脱靶效应”——它可能在计划靶点以外的位置切断DNA，产生意外的变异。这也是基因编辑技术饱受争议的首要原因。

2015年4月，网络杂志《蛋白质与细胞》第一次发表了中国科学家编辑人类胚胎基因的研究。在这篇论文中，中山大学副教授黄军就用无活性（不会发展成真正生命体）的人类胚胎细胞做研究。他的团队利用CRISPR技术修复了乙型地中海贫血病（一种先天遗传性疾病）的缺陷基因，探索了今后治疗某些遗传疾病的可能。

但是，黄军就和他的团队发现了数量惊人的“脱靶”现象。基因操作的一个主要目标是纠正明显有害的突变，因此，避免引入另外的突变至关重要。目前的技术是在基因的特定靶向空间、靶向位点改变原有的遗传信息。但本质上，纠正一个基因可能就需要在10个其他基因或基因组中的许多部位引入突变。基因是可遗传的，如果生物体在胚胎期就受到人为的控制，下一代的健康及身体状况会很难预测，且可能产生不可控的后果，乃至整个人类的基因图谱都可能被重写。

黄军就认为，他们观察到的这一现象可能只是冰山一角，因为他们只对基因组非常小的一部分进行编辑。“如果我们面对的是所有已知的基因组，那么这种脱靶率可能会更高。”该团队对86个胚胎进行了操作，花了48小时进行观察。最后，在71个存活下来的胚胎里仅28个胚胎的DNA片段被编辑，而且其中只有一小部分保留了所预计的DNA信息。“如果你想在健康正常的细胞里操作，那么这些DNA信息的保存度一定要接近100%。”黄军就表示，“我们不得不停下手头的实验。因为显然，这种基因编辑技术还太不成熟。”

饱受争议的除了CRISPR技术的可靠性，还有它涉及的社会伦理问题。随着基因测序技术平台的效率提高，乐于接受基因检测的人群数量将会大幅上升，特别是在产检的时候——每个父母都想让自己的孩子更加健康、完美。CRISPR的操作简单，而且可以直接删除特定变异基因。如果能在胚胎期就完全抹除带有癌症、残疾、心血脑等遗传性疾病的基因，何乐而不为？

可以想象，假如基因编辑技术发展到一定阶段，一个聪明、美貌、健康、长寿的新贵族可能会成为“基因特权阶级”。拥有权力的人会如何使用这些技术？变异的优生学政策会不会出现？万一部分基因产生变异，X战警那样的超能力人群或新型物种会不会存在？

《设计婴儿：生殖技术的美丽新世界》一书的作者罗杰·戈斯登（Roger Gosden）认为，婴儿同我们一样是独立个体，我们没有资格成为设计者。新生儿的独特性是神圣不可侵犯的，而这种独特性首先就体现在其出生时候的偶然性和不确定性上。

实际上，对于基因编辑的伦理道德讨论已经非常热烈。2015年12月，一场针对人类基因编辑的伦理问题的会议在华盛顿举办。该会议邀请了学者、医学界、法律界、民间病患权益团体、政府、商业人士参加，而大会讨论环节由 CRISP-Cas9技术公认的权威詹妮弗·杜德娜主持。她认为，该技术的发展应用速度非常快，在医生、科研人员和公众都完全明白基因编辑的含义、影响及可能的后果之前，应该叫停人类胚胎的基因编辑工作。

但目前，CRISPR技术的发展还处在初期，它为生物医学带来的突破与革新的前景是那么诱人，以至于这一领域的研究人员似乎还无暇顾及太远的未来。

2016年1月，对人类胚胎进行基因编辑被英国人类受孕与胚胎学管理局（HFEA）首次放行，相关实验将在近期开始。研究人员希望通过CRISPR-Ca9技术，加深现有对人类早期发育阶段的了解。这一实验将在卵子受精之后的7天之内施行。该实验的主导者凯西·尼亚坎博士接受BBC采访时说，“我们非常想知道，要从一个胚胎成长为一个健全的婴儿，需要怎样的基因。流产与不孕不育实在太常见，但是却一直没有人完全理解这种现象为何会发生。”但目前，将接受过基因编辑的胚胎植入母体的做法还是违法的，因而在7天实验结束后，这些胚胎将被废弃。

人类遗传学警告组织（Human Genetics Alert）的创始人大卫·金博士告诫说，英国监管机构的批准是未来基因订制这盘大棋的第一步，也是一种“消费导向优生学”的开始。而哈佛大学医学院的乔治·邱吉则持相反意见，他认为，禁止基因编辑的任何实验只会阻止尖端医学的发展，并迫使人们将其转移到地下非法经营。

目前，CRISPR-Cas9在治疗疾病或编辑人类胚胎基因上的潜力较被重视。但评论指出，基因编辑只是CRISPR众多用处中的一个，真正的革命将在实验室发生。CRISPR最突出的优点是在广袤的基因组里定位，找到目标位点。对于分子生物学，CRISPR是强有力的研究基因组的工具；对于人类基因组研究，它能帮助解释每个基因的功能及属性；对于合成生物学，它能构建复杂的生物通路，创造更复杂的行为……未来，还会有更多的资源投入到更宏大的计划中，如彻底理解细胞系统和疾病的复杂性，重建生物通路，甚至是编辑整个生物网络。

眼下，基因编辑过程中发生的“脱靶效应”可能带来未知的后果。而长期以来，该技术在哲学、政治、社会学、宗教伦理道德上也会被审视和批判。尽管如此，很多人同意，基因编辑技术在基础研究层面上的意义是极其深远的，迈向生物医学新时代的大门不应轻易被关上。