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基因编辑技术让“定制婴儿”成为可能

《科技生活》周刊||热度 ( )

文/记者 吕浩然
 
       什么技术,三次入围顶级学术刊物《科学》杂志年度十大突破,更在2015年底成为《科学》和《自然》杂志双双关注的年度焦点?

  什么技术,问世仅3年,就风靡全球生物医学研究机构,成为人类可能改造自身的利器?

  什么技术,中国科学家突破性应用使我国相关研究站在了全球前列,却也引发不小争议?

  未来,这项技术能给我们带来什么?它能让“定制婴儿”成为现实吗?

  2015年12月17日,全球知名科研期刊《自然》杂志公布了该杂志评出的2015年度对全球科学界产生重大影响的十大人物,其中来自中国中山大学的青年科学家黄军就副教授上榜。其缘于2015年4月,黄军就研究团队发表了世界首例利用CRISPR-Cas9技术修改人类胚胎基因的研究成果,当时在学界引起轩然大波。 

  总成本只有30美元的CRISPR技术

  基因编辑技术,顾名思义,就是通过技术手段更改、替换、敲除某个基因片段。听起来高大上,但其实它并不是一个新名词。

  一直以来,生物学家们都能够应用各种分子生物学技术,对基因组进行编辑操作。大概在十年前,就出现了锌指核酸酶(简称ZFN),它能够以很高的准确度和效率进行基因组编辑,所以科研人员也为此兴奋了好一阵。

  但是动辄5000美元甚至更高的价格却让ZFN技术显得有些“不接地气”,而且还需要定制与靶标相适应的锌指核酸酶,过程异常繁琐。除了ZFN技术,归巢酶、TALEN等技术也为基因编辑技术的发展提供了很好的思路,但几乎都因为“不接地气”而无后续,直到4年前CRISPR技术的问世才让基因编辑技术走上了神坛。

  说到这儿就不得不提基因编辑技术的另一位先驱——麻省理工学院华人科学家张锋。正是他发明的CRISPR-Cas9技术让基因编辑技术在价格上更为亲民,同时在应用上更为简单。

  从原理上来看,归巢酶、ZFN、TALEN以及CRISPR-Cas9四种核酸内切酶均能够特异性地识别与切割特定的DNA序列,引起DNA双链断裂(DSB)。前三者是运用蛋白质与DNA的识别与切割,而CRISPR-Cas9则是RNA与DNA的识别与蛋白质介导的切割。

  CRISPR是生命进化历史上,细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器,简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌,利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务,细菌为了将病毒的外来入侵基因清除,进化出CRISPR系统,利用这个系统,细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除,这是细菌特有的免疫系统。

  CRISPR技术的一大突破是:该技术只需要使用Cas9酶——能够识别靶标DNA的向导RNA(guide RNA)就足够了。CRISPR技术能够对DNA序列进行编辑,起到破坏基因,或者插入外源序列的作用,这就表示人们可以通过CRISPR技术控制人类的性状。科研人员们需要做的往往只是订购一段向导RNA,因为其他的实验材料都是通用的,而总成本也才只需要30美元。也正因为这种“接地气”的特点使得每一个人都能够受益于CRISPR技术,也从侧面推动了这场巨大的科技革命。


2015年十大科学突破出炉,“基因剪刀”居首

  胚胎编辑引发学术界激烈争辩

  虽然CRISPR技术有着诸多的益处,但是也有一些科学家对此表示担忧。他们担心科技发展太快,而与此相关的伦理和安全问题却没能跟上,所以有可能带来问题。

  比如去年4月,黄军就团队使用这种技术对人体胚胎进行的改造。虽然黄军就在文中已经明确表示这个经过改造的胚胎是一个不能发育为完整生命体的胚胎,但是尽管如此,该消息还是引起了热烈的讨论,讨论的焦点就是究竟能否使用CRISPR技术对人类基因组进行可遗传的改造。

  除此之外,还有一些其它的担忧。比如有些科学家就希望看到更多的研究,以验证CRISPR技术是否会给基因组带来非目的性的、其它的、有可能存在风险的改变。再比如美国加利福尼州斯坦福大学的系统生物学家Stanley Qi就认为,CRISPR技术的门槛非常低,任何实验室都能够掌握这项技术,既不需要耗费巨资购置实验设备,也不需要对实验人员进行长达数年的培训。“所以我们应该好好想想,怎样才能更好地使用这项新技术”。

  从黄军就发表的论文不难看出,为了避免伦理争议,实验使用的是缺陷胚胎——由当地医疗机构提供,均无法发育成婴儿,不能正常出生。他们共给86个胚胎注射了CRISPR-Cas9和新的DNA分子。48小时后,理论上每个可发育成8个细胞胚胎,他们对71个存活胚胎的54个进行检测发现,其中28个被成功修改,但只有很少一部分成功修改了基因。黄军就认为这种技术不够成熟。“如果你想用正常的胚胎做研究,需要接近100%的成功率。”黄军就曾在《自然》网站上解释,出于该原因,他们已停止使用胚胎的实验尝试。

  尽管黄军就表示基因编辑技术在人体胚胎上的实验还不够安全、完善,但是事件本身却引起了诸多的讨论。对于新生事物的观点总有两面性,这次也不例外。

  英国生物学家Edward Lanphier在《自然》杂志上对这一研究表示批评。他表示应暂停这类研究,需要进行广泛讨论后才能进一步研究。哈佛大学医学院干细胞学家George Daley认为,这是国际上首次报道成功使用CRISPR-Cas9对人类胚胎细胞进行的基因编辑,这一研究无疑具有里程碑意义,但是绝对不要误以为人类已经可以将这种技术应用于人类疾病治疗。

 
中山大学的青年科学家黄军就副教授

  清华大学生物学教授陈国强表示,有关批评所提出的要求过于武断。如果完全满足批评者的所有要求,有关人类胚胎的研究就“完全不能做了”。这一领域研究突破最终会惠及所有人,“人类DNA修改就是一把钥匙,可以帮助我们找到许多疾病治疗方法,帮助人们提高健康、保持年轻、延长寿命。未来这些都是可能的,也会让很多家庭脱离痛苦和折磨”。

  不仅是从技术安全的角度,许多科学界人士在伦理道德方面也持怀疑态度。正如基因编辑技术可以从原始微观层面对DNA进行修改,这就允许在胚胎发育初期进行“选择性”的强制写入,将不需要的、有害的甚至是“不想要”的基因敲除、替换,这与出现在科幻电影中的“人造人”没有区别,这种“定制”有悖伦理。

  然而复旦大学生物学家赵世民却表示,黄军就团队的研究本身“完全没有道德问题”。“他们只用无活性胚胎进行实验,研究距离临床或商业应用还很远很远。人类DNA编辑是大势所趋,不可避免,这类技术已经在植物、动物上成功应用,用于人类只是时间问题。”但赵世民也提出,像其他科学技术一样,编辑基因有其局限性和风险。改变基因序列可能会导致意外问题,这种问题可能会从一代传到下一代,引发其他缺陷或疾病。这类研究应该被允许,但是必须被严格控制在实验室内。大量、不受控制地编辑DNA甚至会导致人类灭绝。

  对于基因编辑技术的争论必须通过协商才能得到解决。在这种情况下,对基因编辑研究定“规矩”被迅速提上日程,2015年12月1日至3日在华盛顿召开的人类基因编辑国际峰会就提供了一个围绕该议题进行公开辩论的平台。该会议由美国国家科学院、美国国家医学院、中国科学院和英国皇家学会共同举办,来自世界22个国家和地区的200余名科学家和伦理学家就基因编辑技术展开热烈讨论,涉及该技术的发展、现状、未来的应用和风险,相关伦理、法律和社会影响,以及国际和国家管理规则、原则等十多个议题。

  会议就基因编辑技术发表声明:对早期人类胚胎或生殖细胞进行基因编辑研究是有必要的,而且应该继续进行下去,但前提条件是,被修改的细胞不得用于怀孕目的。此外,由于安全性和有效性问题尚未得到解决,目前尚未有生殖细胞编辑技术达到医疗标准,因此现在就把该技术投入临床使用的做法“不负责任”。同时还强调,随着科学知识的进步和社会认识的发展,对生殖细胞编辑技术的临床应用应定期重新评估。

 
这个“定制宝宝”名叫波比,出生在一个有亨廷顿氏舞蹈症病史的家庭中。生育专家选择了没有这种病症的健康胚胎,小波比由此发育而成。未来,采用基因编辑技术就可以在胚胎发育初期,将与遗传疾病相关的基因进行删除。

  基因编辑是否违反伦理?

  如今基因编辑技术已经逐步成熟,在基因层面对人类进行一定的改造或许就现阶段而言仍是一种设想,但正如黄军就在接受《自然》杂志采访时作出的预测那样,50年或100年之后,通过基因编辑技术产生的“定制婴儿”将会出现,但这仅是一个预测,“就像50年前人们无法预测到今天基因编辑技术的出现那样”。

  人类基因究竟应不应该用基因编辑技术去改造人类自身?中科院遗传研究所高级工程师姜韬表示,人类演化到现在这个阶段已经不是单纯的自然选择的结果,一代一代的人在人类所创造的“环境”下繁衍,这已经跳脱了自然演化的规律,变成了一种社会环境的演化。

  “自然选择优胜劣汰,强者生存弱者淘汰!但是现在人类医疗技术的发展已经让这种法则失效,很多有害的基因并没有被淘汰掉,反而通过人工干预的方式让一些‘弱者’得到纠正,基因得到保留,很明显的一个案例就是霍金,如果在原始社会可能他会很快地消亡,基因也得不到传递,但是今天人类科技的发展使得霍金可以在保证生命健康的情况下发挥他的才智,这充满了人文的关怀”。姜韬还指出,有害基因的传递需要得到纠正,而基因编辑技术则是现今最有效、最直接的方式。

  在伦理方面姜韬提到三个词:尊严、生命、权利,“在遗传学、医学领域已经形成的世界性共识有三点,首先是维护人类的尊严,这也是克隆人止步的首要原因;其次要保障人的生命,即便是不健康人的生命也必须保证;三是捍卫人的权利,包括对于健康层面的隐私权,他人无权过问,在这个大的前提下去讨论基因编辑技术的伦理才是正确的”。

  姜韬指出,去年12月初的基因编辑技术国际峰会是专业人士为讨论技术本身所进行的一次磋商,没有“行外人”的参与,“专业人士坐下来进行探讨,随后将结果向公众公布,整套程序是科学的,而且得出的结论也显示了科学家们对于基因编辑技术严谨、科学甚至是相对保守的态度。”

  西方国家的宗教信仰、种族意识较中国来讲要强烈,这也是为什么黄军就的研究成果公布之后西方反对声音格外明显的原因。“黄军就的实验是科学合理的,从研究对象的选择到最后得出的结论都符合要求,但是西方的质疑却更多停留在伦理层面,与黄军就研究治病救人的初衷有所背离。”姜韬说道。

  正如美国埃默里大学伦理学中心主任保罗·沃尔普在一份声明中说的,必须在什么能做、什么不能做方面纠正认识误区。当前对基因编辑用途的主要考虑是,修正致病突变与预防出生缺陷,而不是“定制婴儿”。现在对涉及智力、音乐才能或数学能力等复杂遗传特性的认识还是初步的,没有人知道如何去制造一个聪明伶俐的婴儿。

  然而沃尔普还指出,如果认为人们不会在未来的某个时间段尝试这一点,也是“天真的”。随着人们对遗传学的认识与日俱增,对遗传干预的安全性更加确定,那么“道德衡量”在未来的某个时刻也将会发生改变。

  基因编辑技术基础研究工作的推进能够使得用此技术在未来修正致病的基因突变、防止出生缺陷,“当技术足够完善、被证明足够安全的时候,为什么我们不运用此技术去改善人类的健康状况?从人道主义关怀的大角度,完善基因编辑技术是可行的,也是必行的。”姜韬补充道。

  而黄军就对记者的采访邀请给予了回应:“本人的教学工作较多和科研国际竞争激烈,因此需要集中时间和精力投入到教学和科研中,希望以后能在科学研究领域取得好成绩以回报大家的关心”,个中含义,仁者见仁。■


哈佛大学研究人员杨璐菡利用CRISPR技术一次性敲除猪细胞中62个逆转录病毒基因,从而扫清猪器官用于人体移植的重大难关,为全世界需要器官移植的上百万病人带来希望

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