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        揭秘基因編輯與基因治療

        2018-01-30 14:07:11華中師范大學(xué)生命科學(xué)院
        家庭醫(yī)藥 2018年23期
        關(guān)鍵詞:基因治療基因組干細(xì)胞

        □華中師范大學(xué)生命科學(xué)院 羅 勤

        眾所周知,目前人類許多疾病都來源于基因缺陷,如先天性遺傳性疾病、某些惡性腫瘤等,此類基因疾病往往是天生的、罕有的,甚至沒有相關(guān)藥物治療。這類疾病將來有沒有可能得到根治?生命科學(xué)領(lǐng)域最火爆的基因編輯技術(shù),為我們給出了肯定的回答:基因編輯與基因治療為徹底治愈先天性遺傳病、腫瘤、艾滋病及其他惡性疾病開辟了全新的路徑。

        什么是基因編輯技術(shù)?多數(shù)人的知識(shí)基礎(chǔ)僅限于知道 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)這個(gè)層次,所以筆者不自量力來解說一下這種火爆的技術(shù),以及近期進(jìn)展神速的基因治療,希望能對(duì)基因編輯與基因治療感興趣的讀者有所啟發(fā)。

        基因編輯如同word文檔

        1866年,一位名叫孟德爾的奧地利學(xué)者在進(jìn)行豌豆雜交試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)一些可以遺傳母代特征的因子,它們決定了豌豆表皮是光滑的還是褶皺的,為黃色還是綠色。至此,人類踏上了探索基因的旅途。在這漫長的150年中,科學(xué)家認(rèn)識(shí)到基因的結(jié)構(gòu)、突變、化學(xué)成分、功能……基因?qū)τ谏飦碚f就像是大自然譜寫的代碼,在DNA不朽的雙螺旋結(jié)構(gòu)中,它們神奇的排列組合造就了今日獨(dú)具特色的個(gè)體。

        人類的DNA是一個(gè)長長的雙螺旋鏈條,如同一把扭曲的梯子,又類似一本厚厚的書,基因便是嵌在上面的字母(A、T、C、G)。這些字母經(jīng)過排列組合,形成特定的基因片段,這些片段決定了我們的特征——身高、瞳孔顏色甚至是壽命。但是有些基因的排列會(huì)發(fā)生“錯(cuò)誤”,它讓我們很容易患上某種嚴(yán)重的疾病,因此科學(xué)家們嘗試通過基因編輯來糾正有缺陷的基因,如同作家潤飾一篇文章中的敗筆。

        基因編輯,就像在word文檔中修改一兩個(gè)詞語,我們需要通過查找工具鎖定這些詞語的位置,選中,刪除,接著在同樣的地方輸入我們想要的內(nèi)容,最后點(diǎn)擊“保存”按鈕,便完成了詞語的修改。同樣地,科學(xué)家們利用一些蛋白質(zhì)(如鋅指蛋白、TALE 蛋白)或者RNA來搜索目標(biāo)基因組,鎖定“有問題”的那段基因,然后利用核酸內(nèi)切酶等手段進(jìn)行切割,形成DNA雙鏈斷裂。若DNA鏈中出現(xiàn)某個(gè)缺口,細(xì)胞本身天然修復(fù)機(jī)制會(huì)盡力修復(fù)它,但也可以由科學(xué)家們復(fù)制理想中的基因片段,將它們連接到斷開的DNA鏈之間。這樣,基因編輯基本就完成。

        以上過程不難理解,基因編輯核心步驟有3個(gè)主要環(huán)節(jié)——

        1.“GPS”:基因編輯首先要精確識(shí)別目標(biāo)DNA片段中的靶點(diǎn)——核苷酸序列,即鎖定“有問題”的那段基因,能夠“指哪打哪”。這樣就需要有特異識(shí)別目標(biāo)DNA的 “GPS”來引導(dǎo),讓基因編輯工具可以快速而準(zhǔn)確地定位想要編輯的位點(diǎn)。

        2.“剪刀”:在 GPS導(dǎo)航下完成定位以后,就需要有一把剪刀來切斷DNA雙鏈,形成切口,這把剪刀就是各種各樣DNA核酸酶。

        3.“針線”:如前所述,剪開切口之后,無論是敲除、插入還是置換,隨后都需要再把切口“縫上”,這個(gè)過程是由細(xì)胞內(nèi)天然存在的DNA雙鏈斷裂修復(fù)機(jī)制來實(shí)現(xiàn),或者植入由科學(xué)家們復(fù)制的理想基因片段。

        基因治療的3種方式

        對(duì)于由基因突變引起的疾?。ㄌ貏e是單基因疾?。?,一個(gè)很容易想到的治療方法就是將致病基因替換掉或者向體內(nèi)補(bǔ)充健康基因。類似的治療早在1990年代就已經(jīng)比較廣泛地開展嘗試,然而在缺少精確基因編輯手段且對(duì)病毒等載體研究不夠充分的年代,因免疫排斥反應(yīng)以及脫靶導(dǎo)致癌變等重大事故頻發(fā),使得基因治療一度從高峰陷入低谷。隨著基因編輯和病毒轉(zhuǎn)染技術(shù)(特別是AAV)的逐漸成熟,近十年來基因治療又開始逐漸回暖,似乎已經(jīng)到了開花結(jié)果的時(shí)候。

        如今,對(duì)于因?yàn)榛蛲蛔兌l(fā)的疾病,基因治療有下述3種方式——

        1.體外編輯

        體內(nèi)細(xì)胞既然因?yàn)橥蛔兌鴨适Чδ苌踔涟┳儯敲匆粋€(gè)簡單的方法就是把細(xì)胞在體外“修好”再回輸?shù)襟w內(nèi),就可以修復(fù)原先受損的功能。最典型的例子就是近幾年火爆的 CAR-T 技術(shù)(體外用病毒轉(zhuǎn)染T細(xì)胞,使其具備識(shí)別腫瘤表面某些特異性蛋白的功能),以及體外編輯干細(xì)胞等。這種方法好處是可控,畢竟編輯發(fā)生在體外,編輯完可以篩選,改得好就拿到體內(nèi)用,改得不好還可以扔,不太容易出問題;壞處是在致病機(jī)制復(fù)雜或者研究不夠深入的情況下效果一般。如CAR-T技術(shù),目前只對(duì)血液瘤效果好,就是因?yàn)檠毫鑫h(huán)境比較簡單;而干細(xì)胞治療之所以進(jìn)展不大,就是因?yàn)楦杉?xì)胞相關(guān)疾病的微環(huán)境往往很復(fù)雜,改造干細(xì)胞回輸體內(nèi)之后并不能發(fā)揮預(yù)想的作用。

        2.體內(nèi)游離DNA表達(dá)

        對(duì)于某些因?yàn)榛蛲蛔兌鴮?dǎo)致一些特定蛋白缺乏所引起的疾?。ū热缛R伯氏先天性黑蒙癥、血友?。粋€(gè)直接的思路就是把可以表達(dá)相關(guān)蛋白的基因“種”到體內(nèi),但不“種”到基因組中,而是游離在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行表達(dá),最典型的就是目前已經(jīng)獲批的幾種病毒轉(zhuǎn)染基因療法(如FDA批準(zhǔn)的治療遺傳性眼疾的基因藥物“Luxturna”)。這種方法好處是相對(duì)安全,畢竟改變基因組往往是不可逆的,萬一出現(xiàn)危險(xiǎn)的脫靶后果就比較嚴(yán)重(這也是上世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)多個(gè)死亡案例的原因)。壞處主要有二:一個(gè)是游離的病毒DNA還是有概率插入到正常基因組中,而這種插入是沒有定位的是隨機(jī)的;另一個(gè)是可能會(huì)隨著細(xì)胞分裂逐漸消耗掉,不像基因組中DNA那樣在分裂中有穩(wěn)定復(fù)制,其治療可能不夠長效。

        3.體內(nèi)基因組編輯

        這應(yīng)該是基因治療方法中最被寄予厚望的,即用基因編輯技術(shù)直接在體內(nèi)對(duì)突變的目標(biāo)DNA 進(jìn)行修改,消除致病基因,恢復(fù)機(jī)體功能。這種方法好處是有可能根治疾病,比如,亨特氏綜合征或A型血友病患者,就是體內(nèi)無法正常表達(dá)艾杜糖醛酸鹽-2-硫酸酯酶(IDS)或凝血八因子,那么把IDS或八因子基因插入到基因組中,就有可能終身都能正常表達(dá);壞處上面說過了,安全性是最大的疑慮。

        整體而言,基因編輯及其治療都是前景巨大的技術(shù),也是未來最重要的生物領(lǐng)域發(fā)展趨勢,科學(xué)和商業(yè)價(jià)值都不可限量,但同時(shí)我們也不應(yīng)忽視目前存在的巨大隱憂和局限性。所以,無論是“基因編輯技術(shù)將徹底治愈癌癥”,還是“基因治療危險(xiǎn)性巨大”,這兩類極端言論都有失公允。

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