杜德纳：分子魔剪CRISPR的推进速度让人震惊

青山绿水

世界科学2021-02-25 17:32:24

2020年诺贝尔化学奖授予生物化学家詹妮弗•杜德纳（Jennifer Doudna）和微生物学家埃玛纽埃勒•沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier），表彰她们研发出CRISPR基因编辑技术的工作。

新闻报道宣称这项发现是“分子魔剪”，将使得我们能“重写生命之书”，而这项能力也引起各种复杂的伦理疑问。然而，CRISPR技术令人兴奋的地方与基因设计婴儿的愿景无关，它的真正前途在于治疗从肌肉萎缩症到先天性失明等众多由遗传变异引发的疾病，甚至包括部分癌症。

CRISPR疗法的首批人体试验早已在进行中，科研人员希望尽快将这些疗法用于临床。杜德纳说：“CRISPR研究的推进速度着实让人震惊。”

包括心脏病、阿尔茨海默病和糖尿病在内，大多数常见疾病都有一部分是由基因引起的：继承了某些“错误”的基因变异体的人更容易罹患某些疾病。对于其中的许多病症，遗传构成很复杂，涉及许多基因。囊肿性纤维化之类的其他疾病可能只由一个基因或若干基因的故障引起。那样的话，只靠基因编辑就可以治愈疾病，具体方法是用健康的基因替换故障的基因变异体。

早在20世纪70年代，从科学家最早开始学习如何编辑基因起，这种“基因疗法”手段就是他们的目标之一。但基因疗法从未实现宣传中的效果，因为人类一个细胞的DNA拥有大约21000个基因，要对其中一个基因进行编辑是件难事，需要有十分精确的工具来寻找到基因，剪开基因位点的DNA，再在原位接入新基因（或基因片段）。

在过去几十年里，生物学家一直能够做这样的基因编辑，但不够准确，无法安全地用于临床。假如基因编辑做得乱七八糟，或者一时疏忽而改动了其他基因，后果可能很可怕——尤其是因为这样一个计划外的突变可能引发癌症。

CRISPR技术改变了这个局面。

这项技术使用一种最早于细菌中发现的Cas9的酶分子，通过设计，这种酶能可靠地寻找到它的目标。Cas9酶携带一段mRNA。当Cas9酶寻找到与其mRNA序列相匹配的DNA序列，它会将DNA双螺旋结构剪切成两部分。其他酶接着就能往切口插入另一段DNA——也就是将“健康”的序列编码写入。

杜德纳、沙尔庞捷和其他科研人员在2012年首次报告CRISPR系统，该系统允许以史无前例的精确度做基因编辑。科研人员通过切除基因或修改基因，就能推断出各个基因的角色和作用。

CRISPR系统也让基因编辑技术用于医学变得更加可行。

杜德纳说，研究者关注的第一批疾病是那些需要“对单个细胞或组织内的单个基因做简单调整，而且能轻易定位目标”的病症。她补充说，因为这是一种昂贵、全新的治疗方法，优先选择那些不存在其他疗法的疾病是明智之举。

治疗单基因突变疾病

一些血液疾病符合上述条件，譬如镰状细胞贫血症和β型地中海贫血症。

在镰状细胞贫血症中，血红素（红血球中负责运载氧的蛋白质）基因变异导致红血球变成镰刀状，致使血流出现问题。田纳西州一家医院研发出一套针对镰状细胞贫血症的治疗程序，2020年有一位名叫维多利亚·格雷的密西西比州妇女成为接受这种试验性CRISPR疗法的第一人。医生从患者的骨髓中收集造血干细胞，在体外对细胞进行处理，修改一个涉及血红素生成的基因，再将处理过后的干细胞输送回患者体内。治疗到目前为止都很成功：现在这名患者不再需要定期输血或入院治疗，以她的病情来看，这在过去是不可能的。

这名女患者目前在波士顿参与了针对镰状细胞贫血症和β型地中海贫血症的CRISPR疗法试验。然而，杜德纳提醒，早期疗法将会费用高昂。由她创立的创新基因体研究所的一项关键目标就是降低治疗成本。她说：“拥有一种极少数人才负担得起的镰状细胞贫血症疗法不是问题的解决办法。”

维多利亚·格雷接受了针对镰状细胞贫血症的CRISPR基因疗法

加州大学伯克利分校的生物工程教授尼伦·穆尔蒂（Niren Murthy）说，CRISPR技术的一大吸引力便是它能一劳永逸地治愈疾病。

患者接受基因疗法后，基因就永远被治好了，不用每隔数月就去复诊。不仅如此，基因编辑疗法不必格外高效便能奏效。

“对于镰状细胞贫血症，试验表明只用纠正患者5%干细胞的变异，就足以产生正面的临床疗效。”杜德纳说，“当然，我们的目标是取得比那远远更好的疗效——你的疗法瞄准的目标越多，功效便越高。”

治疗上述疾病有一项关键优势，那便是很容易让CRISPR系统抵达正确的位置：血液。要对其他组织进行基因编辑的话，一大挑战是如何突破血流和组织细胞之间的屏障。假如你仅仅将分子成分注射进血液，分子成分很快就会被人体免疫系统降解。最好将分子成分装进某种迷你载体或“媒介”，譬如人工合成的颗粒或灭活病毒（新冠疫苗的有效成分正是通过这种途径来递送的）。但这些“媒介”往往尺寸过大，无法穿过细胞膜进入组织。穆尔蒂说：“递送是个大问题，假如谁能解决这个难题，那会开启许多疗法的机会之窗。”

治疗癌症

一些研究者希望CRISPR技术能抗击癌症。一种方法是利用基因编辑技术来增强人体免疫系统，使得它能更好消灭肿瘤细胞。

“这样的癌症免疫疗法早已显现出辉煌前景，但CRISPR能让疗法的效率更高、更有疗效。”杜德纳说，“基本设想是编辑患者的T淋巴细胞（一类对免疫响应至关重要的白血球），再将它们重新送入血流，那样它们就能识别和攻击癌细胞。”

2016年，中国进行了CRISPR技术增强的肺癌免疫疗法的首批人体试验。也有研究者尝试用这种方法治疗几类血癌和骨癌。但杜德纳说，现在评价这些疗法的有效程度为时尚早。

另一种选择是采用CRISPR技术让癌细胞本身失能，但又面临如何让基因编辑机制进入肿瘤的挑战。不过穆尔蒂指出，对于白血病之类的血癌，不会出现这种递送难题。

治疗心血管疾病

动脉粥样硬化（中风和心脏病的肇因之一）是另一个重要的研究对象。部分人因为遗传因素而易于出现动脉粥样硬化，因为他们的细胞生成太多PCSK9蛋白质，这种蛋白质阻止一种名叫低密度脂蛋白（LDL）胆固醇的分子分解。高水平的LDL胆固醇能导致动脉硬化，动脉硬化又可能引起心衰。

胆固醇的代谢分解发生在肝脏，而肝脏是极少数已经研发出相应有效的药物递送载体的组织之一。这使得PCSK9相关的动脉粥样硬化成为CRISPR疗法的理想治疗对象。

2020年，位于马萨诸塞州坎布里奇的美国生物科技初创企业Verve开始试验这种疗法，采用以脂质制造出的人工纳米颗粒来运送基因编辑分子到肝脏。

与此同时，同样位于坎布里奇的Intellia公司在探索针对镰状细胞贫血症、血友病和一些罕见遗传性心脏病的CRISPR疗法。

治疗眼部疾病

还有一家以坎布里奇为总部的基因编辑公司Editas与总部设立于都柏林的艾尔建（Allergan）公司合作，已经开始试验用CRISPR技术治疗最为常见的遗传性儿童失明症LCA10（10型利伯氏先天性黑朦）。

和前文提到的镰状细胞贫血症和癌症疗法不同，这种治疗方法是将CRISPR直接引入人体——具体来说就是将分子成分放到病毒中，再将病毒注射进眼球。

杜德纳认为，眼球是绝佳的目标，因为眼球的某些特征使得基因组编辑的过程不太可能出现不希望的副作用。

她补充说：“我们会从这次试验中收获甚多，我兴奋地想早日看到结果。”

治疗其他疾病

穆尔蒂目前在研究杜兴氏肌肉营养不良症的CRISPR疗法。这种疾病由负责生成抗肌萎缩蛋白（dystrophin）的基因发生变异引起，抗肌萎缩蛋白与肌肉构建有关，变异的结果是肌肉纤维丧失，最终导致肌无力和死亡。

但穆尔蒂猜想CRISPR疗法可能最先在亨廷顿舞蹈症等遗传性神经疾病中发现广泛的临床应用，因为试验发现大脑组织比肌肉更容易进行基因编辑。

单碱基基因编辑工具更精准

治疗不同的疾病可能需要不同的基因编辑方法。最简单的方法就是破坏一个基因，让它无法运作。当Cas9酶剪开DNA链时，细胞的DNA修复机制不仅仅将断开的DNA链再次缝合在一起，通常还会把DNA链修剪掉一点，就像是清理掉毛糙的切口两端。于是，重新接合的基因通常就没用了——有时候，那正是你所需要的。然而，有些基因编辑工作需要更加精准的分子手术刀。

“对于大多数遗传疾病，要让患者获益的话，需要有精准的基因纠正，而不是将基因切断就了事。”麻省理工学院与哈佛大学名下的博德研究所研究员刘如谦（David Liu）如此说道。

他已经研发出一种利用Cas9酶对单个碱基进行精准改动的方法。有时候，就如在镰状细胞贫血症的案例中，只需改动一个碱基就能让变异变得危险。刘如谦的单碱基编辑器利用了Cas9酶的一种修改版本，它能以计划好的方式找到目标DNA，但不会剪切DNA，而是与其他分子协作，由那些分子替换标的位的单个碱基。

刘如谦与同事目前在利用他们的碱基编辑器治疗早衰症，这种疾病导致患病儿童急速衰老，并最终死亡。

患病儿童的一个名叫lamin A的基因天生就有变异，起因只是一个碱基被改变了，但它所生成的突变蛋白质能伤害身体内的几乎所有细胞。单破坏变异的lamin A基因不足以治愈该病，因为破坏该基因后不受控制的生成物依然可能有致命毒性。所以，我们需要精准纠正那个出错的碱基。

刘如谦的团队已经在小鼠身上成功实现这个目标，那些小鼠经过基因改造，携带了人类的变异laminA基因。他们在小鼠出生14天后——大约等同于人类的五岁——对小鼠进行治疗，发现那些小鼠能存活到对于正常小鼠而言的“老年”开始之际。

“五年前，对活体动物纠正那些导致致命遗传性疾病的单个碱基对，就像要对一台工程化分子机器进行一劳永逸的修理，前景像科幻小说一样虚无缥缈。现在这种疗法产生的效果远远超过以前所达到的程度，我们开始欣喜若狂。”刘如谦说道。

他的团队目前在与光束疗法公司（Beam Therapeutics）、Verve公司合作，将碱基编辑工具用于临床应用。

尽管穆尔蒂说CRISPR疗法还需要5～10年时间才能广泛用于临床，但杜德纳承认， “对于全球各地的科研人员如此迅速采用CRISPR基因组编辑技术，一直诧异不已”。

杜德纳表示：“通常而言，临床试验要花费很长时间。因为有了CRISPR技术，现在有些镰状细胞贫血症患者看起来是被治愈了，这个事实很让人惊喜。”