2014 突破性科学技术:基因编辑

时间::2014-05-02 栏目: 科技创想 作者: ↗℡ 浮华 青春 评论: 0 点击: 3271 次

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DNA的发现似乎打开了人类通往健康世界的新大门,但是道德束缚加上技术的限制,科学家只能在啮齿类动物身上进行实验,但是老鼠和人又有太多太多的不同,不过一个名叫 CRISPR 的基因编辑技术或许能让我们真正了解导致某种大脑疾病的特殊基因,并找出解决方法。

本文为作者 Christina Larson 和 Amanda Schaffer 共同完成并发表在 MIT TechnologyReview上的一篇文章,该文章为《2014突破性科学技术》的第 5 篇。

突破点:科学家使用基因工具创造了两只具有特殊突变基因的猴子。

突破理由:能够靶向修改灵长类动物的基因可为人类疾病提供研究价值。

主要参与者:中国云南重点实验室、UC 伯克利的 Jennifer Doudna、MIT 的张峰、哈佛的 George Church。


实验

坐落于中国西南的云南省昆明市,山清水秀,绿树成荫,气候宜人,山水环绕,一片祥和。但是这片净土在世界上的声誉正在发生改变,10 年前这里还是一片荒地的地方,现在已经成了云南中科灵长类生物医学重点实验室的研究基地,科学家正在这里开展充满挑战性的实验。他们创造一对具有特殊突变基因的猕猴,或者可以称它们为“转基因猴”。

去年 11 月,一对双胞胎母猴“明明”和“玲玲”在云南中科灵长类生物医学重点实验室中诞生。这两只猕猴是经过试管培育而生的,科学家使用全新的 DNA 工程技术,即 CRISPR,修改了卵子DNA序列中的三个不同基因,然后科学家将经过基因组编辑的受精卵植入到母猴体内。这对双胞胎母猴的顺利诞生意味着这是 CRISPR 基因组编辑技术首次应用到灵长类动物上,在未来可开辟出针对猴子的复杂疾病的基因修复或研究的新方向。

CRISPR 技术是由加州大学、加州大学伯克利分校、哈佛大学、麻省理工学院以及其他高校的研究者共同努力研发而得的结果,它实现了科学家梦寐已久的基因工程项目,因为它能帮助科学家精准地、相对简单地修改基因组。本次实验的研究院季维智说,在昆明的这次试验目的是确认这项技术可以创造出多项突变基因的灵长类动物。

季维智 1982 年加入中科院昆明动物研究所,致力于灵长类动物繁殖。当时的中国还是一个非常贫穷的国家,他回忆说:“我们没有足够的经费来进行研究,做的只是一些简单的工作,比如说如何改善灵长类动物的营养等。”不过中国的科学进步突飞猛进。现在的云南中科灵长类生物医学重点实验室已经建成了一个巨大的实验繁殖基地,拥有 75 个室内房间,饲养着 4000 多只灵长类动物,从外面可以看到许多猴子在里面悠闲地玩耍。此外还有 60 名身着制服的专业饲养员时刻看管着它们。

云南中科灵长类生物医学重点实验室进行的是显微镜下注射实验,实验员在培养皿下用两根精确的注射器将精子注入到卵子内,还用同样的方式对基因进行编辑。我第一次拜访云南中科灵长类生物医学重点实验室时,一名年轻的操作员正在专注地向卵子内注入精子,整个注入过程只有几秒钟。9 个小时之后,胚胎还处于单细胞阶段,另一名操作员使用相同的一起注入 CRISPR 分子成分进行基因修饰,整个过程也只有几秒钟。

今年 2 月份,我又一次拜访了云南中科灵长类生物医学重点实验室,两只小猴子已经有几个月大了,住在培养箱中,被实验室成员密切监视着。季维智和他的同事计划继续观察这两只猴子,看会不会出现基因修饰后的遗留症状。

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影响

他们所用的这种新基因编辑工具名为 CRISPR,可以精准、而且相对简单地替换染色体特定位置的 DNA。在 2013 年初,美国科学家在培养皿中展示了这种技术可以改变任何动物细胞中的 DNA,包括人体细胞的 DNA。不过,中国的研究者是第一批将这一技术用在灵长类动物基因修饰上的人。

UC 伯克利分校分子细胞生物学教授 Jennifer Doudna 说:“用这项技术来修饰灵长类动物基因的想法太强了。”此外,她还是 CRISPR 技术的开发者之一。有了这种新基因编辑技术,人们可以更加深入地研究复杂的人类疾病。但是也会带来新的道德问题。从技术的角度来看,中国的灵长类研究已经证明了科学家可以用 CRISPR 技术来对人类的卵细胞进行基因编辑;用猴子的实验来做参考,人类就可以创造出转基因婴儿。但是 Doudna 说:“是好是坏,这个问题非常难回答。”

创造转基因婴儿的想法对于绝大多数开发 CRISPR 技术的研究者来说还太遥远。目前更重要的是利用这项技术来创造带有跟人类疾病相关的突变基因的动物。使用灵长类动物来做实验的成本很高,也会引起动物保护组织的注意。但是 CRISPR 在猴子身上的实验结果可以“让许多人认为在灵长类动物身上做实验也许很重要”。

目前,最急需这种技术的研究领域就是脑失调。麻省理工学院麦戈文大脑研究学院主任 Robert Desimone 说,可以用 CRISPR 技术来让猴子患上人类的一些脑部疾病,比如说孤独症、精神分裂症、阿尔兹海默症、躁郁症等。这些脑失调疾病很少在老鼠或者其他啮齿类动物身上进行研究;不仅仅是啮齿类动物和人类之间的行为存在区别,疾病所影响的神经系统也不同。许多在老鼠身上进行的实验到了人体实验时就会失败。因为这些失败,许多医药企业减少了相应的研究或者直接放弃了相应的研究。

有了灵长类动物的模型,研究者就可以让灵长类动物获得导致人脑失衡的突变基因。以前,导致某种疾病的基因变种一般都很难弄清楚到底是哪一个,有可能是某个基因直接导致了疾病,也有可能是由它间接导致的。CRISPR 可以帮助研究者发现导致脑失调的某个突变基因:即将可能的基因变种植入猴子受精卵内,观察结果。CRISPR 非常有用,因为它允许科学家用多种突变基因来创造动物,不再向以前那样只能观察一种突变基因导致的结果,还有很多疾病的病因可能是多样突变基因导致的。如果用其他方法来试验多种突变基因,其难度几乎是现有的技术无法操作的。

在中国研究者的帮助下,麻省理工学院神经科学教授冯国平和麦戈文大脑研究所的张峰向外界展示了可以用 CRISPR 技术来修饰人体细胞的基因组。他们计划在受精卵中改变一个名叫 SHANK3 的基因,然后繁殖出一批可以用来研究大脑失调、测试药物的猴子(只有小部分孤独症患者拥有 SHANK3 突变基因,但是其中的一个变种导致孤独症的几率很高)。

领导云南中科灵长类生物医学重点实验室的季智维说,中国负责基因工程猕猴繁殖的研究者也在致力于这一技术的开发。不过,他的团队希望能创造一些带有帕金森症的猴子,然后来进行相关的研究。

在灵长类动物身上取得巨大成功可以为 CRISPR 技术来改变人类卵细胞的基因组起到参考。但是即便在技术上能够实现,绝大多数科学家并不希望这一天能够到来。

首先考虑的安全因素。斯坦福大学法律和生物科学中心主任 Hank Greely 说,当想到“一个单细胞最终能成为一个婴儿”的时候,任何一个小的错误或者负面影响都可能带来难以想象的结果。绝大多数疾病是由简单的基因问题导致的,不需要使用 CRISPR 去进行修复,夫妻双方只需要从胚胎中选取没有疾病的一个来生育即可。在试管婴儿领域,医生已经可以开始用胚胎植入前基因分析技术来进行这种实验。

父母有可能为了孩子的健康、降低风险而选择基因编辑,比如说替换可能导致心脏病、糖尿病等严重疾病的基因。但是 Greely 说,至少 5-10 年内这种事情“还是很疯狂的,难以想象的。”科学家还不了解基因的基础,比如说如果更换了基因会不会对婴儿的智力或者其他大脑功能造成危害,或者是否会潜伏很长时间。

季智维说,用 CRISPR 编辑基因来创造人类是很有可能的,但是“考虑到安全问题,还有很长的路要走。”与此同时,他的团队希望转基因的猴子“能为人类疾病研究提供有效的动物模型,在未来提高人类健康水平”。



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