Peter Weiss

Senior Technology Writer

2019年11月，首批獲得基因編輯技術(shù)“CRISPR”使用批準(zhǔn)的其中一個人體試驗(yàn)報道，在最初接受第一階段治療的兩名患者身上，都表現(xiàn)出顯著的積極療效[1]。這兩名患者都患有一種使人痛苦的、危及生命的遺傳性血液病，并且都接受了數(shù)十億的自體造血干細(xì)胞的移植。為了產(chǎn)生無病血細(xì)胞，這些前體血細(xì)胞已被使用CRISPR進(jìn)行改變。

一名輸血依賴型β地中海貧血患者，曾經(jīng)需要每月輸血一次以上才能存活，自治療以來9個月內(nèi)無需輸血。另一名患者是一名30多歲的女性，患有嚴(yán)重的鐮狀細(xì)胞貧血，每年因畸形紅細(xì)胞阻塞血管的平均次數(shù)為7次，在移植后的4個月，就完全不再發(fā)作。

當(dāng)這些結(jié)果公布時，美國國立衛(wèi)生研究院院長Francis Collins接受采訪說：“能夠利用這項(xiàng)新技術(shù)，并給這些人擁有新生活的機(jī)會，這將是夢想成真?！盵2]

1. 突破性手段

CRISPR作為可以改變幾乎所有生物基因組的突破性手段而聞名于世，與現(xiàn)有的基因編輯技術(shù)相比，CRISPR使基因編輯更容易、更精確、更快、更便宜和更全面（圖1）[3]。自從CRISPR于2012年首次登上世界舞臺以來，全球新聞媒體、許多參與其發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用的科學(xué)家和工程師以及眾多的評論員都在告訴世界，人們期望該技術(shù)帶來奇跡，特別是對人類健康的改善。

圖1. 20世紀(jì)90年代末，克隆羊多莉的遺體在蘇格蘭愛丁堡的一家博物館里作為尖端應(yīng)用生物學(xué)的展示，引起了轟動和爭議。而如今，CRISPR不僅僅是簡單的克隆，還提供了強(qiáng)大的基因工程工具，可用于創(chuàng)建一個增強(qiáng)版的多莉（或人），這引起了人們關(guān)于倫理的深切關(guān)注（CC BY 2.0）。

CRISPR這個縮寫指的是細(xì)菌中古老的遺傳密碼序列，生物學(xué)家在20世紀(jì)80年代末首次對其感到困惑。它代表“成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列”。盡管對于不熟悉分子遺傳學(xué)的人來說其晦澀難懂，但該短語巧妙地概括了細(xì)菌染色體的一種遺傳編碼模式，經(jīng)過多年的研究，發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌編碼包含了先前攻擊細(xì)胞的病毒遺傳密碼片段[4]。

病毒的繁殖是通過將其遺傳物質(zhì)——核糖核酸（RNA）或脫氧核糖核酸（DNA）注入到它們?nèi)肭值募?xì)胞中來繁殖[5]。然后，受感染細(xì)胞的內(nèi)部機(jī)制復(fù)制病毒的蛋白質(zhì)和基因組，而不是制造細(xì)胞自身的組件。在許多病毒的作用下，這些病毒亞基會自組裝成許多新的病毒粒子，從而使宿主細(xì)胞破裂，散發(fā)出來的病毒會感染更多的細(xì)胞和宿主。

在距細(xì)菌基因組上的CRISPR區(qū)域不遠(yuǎn)處，存在著蛋白質(zhì)的基因，這些蛋白質(zhì)已經(jīng)進(jìn)化到可以在細(xì)菌內(nèi)部巡邏。就像具有強(qiáng)大下顎的爆炸物嗅探犬一樣，這些分子復(fù)合物，如Cas（CRISPR相關(guān)系統(tǒng)）蛋白可以與從CRISPR鏈復(fù)制的病毒片段偶聯(lián)，檢查它們遇到的基因鏈?zhǔn)欠衽c敵對病毒序列匹配[6]。如果復(fù)合物匹配到病毒序列，它將通過把敵對基因組切割成無活性的片段來迅速處理。到2000年代中期，分子生物學(xué)家意識到CRISPR/Cas系統(tǒng)已成為細(xì)菌中最基本的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，他們開始解構(gòu)和修補(bǔ)這種精心編排的細(xì)菌防御系統(tǒng)。

到2012年，這些CRISPR/Cas系統(tǒng)中的一些，特別是那些當(dāng)時研究較少的Cas9蛋白，讓研究人員眼花，它們能夠以其向?qū)NA為靶標(biāo)，沿著DNA的確切位置歸巢。從那時起，研究人員認(rèn)識到，他們可以改造這些構(gòu)建體以靶向基因組中的精確位置[7]。通過在預(yù)先選擇的精確位置切割DNA鏈，CRISPR/Cas9復(fù)合物可以使單個基因表達(dá)或不表達(dá)，以及校正、精確修飾和調(diào)節(jié)其功能。

2. 創(chuàng)新引擎

作為創(chuàng)新引擎，CRISPR并不令人失望。對CRISPR/Cas機(jī)制以及該技術(shù)所能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和操作類型的探索使人們對分子生物學(xué)的理解不斷加深，從而推動了生命科學(xué)和相關(guān)行業(yè)的廣泛研究[8]。

CRISPR技術(shù)的開拓者，生物化學(xué)家Jennifer Doudna說，科學(xué)家現(xiàn)在可以“以前所未有的水平研究生物體”，他也是加利福尼亞大學(xué)創(chuàng)新基因組學(xué)研究所所長，該研究所是由全州大學(xué)系統(tǒng)的舊金山和伯克利（該研究所所在地）校區(qū)組成的學(xué)術(shù)合作組織。在CRISPR技術(shù)之前，“如果你想知道一個關(guān)于生命遺傳學(xué)的問題，了解一個遺傳學(xué)路徑，你通常必須借助生物模型工作”，Doudna在2019年10月的公開演講[9]中回憶道。“但有了CRISPR，就突然之間有了改變?nèi)魏斡袡C(jī)體DNA的可能。”

這項(xiàng)技術(shù)在全球催生了一波科學(xué)和生物工程的新見解、技術(shù)論文和應(yīng)用，一大批新成立的公司，以及已建立的科學(xué)、生物技術(shù)和生物醫(yī)藥公司的新部門。CRISPR在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、材料和其他領(lǐng)域創(chuàng)造的新生物和帶來的改進(jìn)包括：藻類被用于制造富含可燃脂肪的新型生物燃料[10]；啤酒釀造過程使用更少的水，因?yàn)轱L(fēng)味來自CRISPR工程設(shè)計(jì)的酵母（包括薄荷、羅勒基因），而不是耗水量巨大的啤酒花[11]；產(chǎn)白色羊毛的綿羊[12]和白色的小蘑菇，能夠保持白色是由于基因編輯阻止了其隨年齡增長而顏色逐漸變棕[13]。

“這是一項(xiàng)非常強(qiáng)大的技術(shù)?？茖W(xué)家現(xiàn)在擁有控制基因的完整工具箱?！盌oudna說，“我們正生活在這種變革性的技術(shù)之中，它將改變我們的世界——并且它將在不久的將來改變它自己?！痹谌祟惤】殿I(lǐng)域，也是人們最為期待轉(zhuǎn)變的領(lǐng)域，該技術(shù)的潛力現(xiàn)在已經(jīng)開始得到測試。

全球數(shù)百萬患有遺傳性疾病的人對這項(xiàng)技術(shù)的期待尤其高（圖2），如β地中海貧血和鐮狀細(xì)胞貧血[14]以及囊性纖維化、脊髓性肌肉萎縮癥[14]和數(shù)千種其他疾病，它們都是由一個或多個基因中的一個或幾個編碼錯誤而引起的。CRISPR還可能為那些患有癌癥、其他身體疾病或精神疾病的患者帶來一些希望，這些疾病受有大量缺陷的、相互作用的基因控制，首先CRISPR可以幫助弄清貢獻(xiàn)基因的作用，然后可能通過降低疾病的嚴(yán)重性或其影響患者的機(jī)會來治療疾病。

但是，該技術(shù)并非沒有已知的風(fēng)險。它的編輯機(jī)制有時可以改變“脫靶”基因，該基因本身可以引發(fā)癌癥或細(xì)胞功能異常。另外，當(dāng)引入患者體內(nèi)時，能夠精確切割和粘貼遺傳密碼的分子復(fù)合物可能會觸發(fā)危險的免疫系統(tǒng)反應(yīng)[3]。

3. 首次批準(zhǔn)的人體試驗(yàn)

圖2. 鐮狀細(xì)胞病是一種先天性血液疾病，其特征是紅細(xì)胞出現(xiàn)異常、僵硬，呈鐮刀狀，如本次血液涂片所示。目前正在進(jìn)行的臨床試驗(yàn)使用CRISPR操縱基因，有望治愈鐮狀細(xì)胞貧血等先天性疾病患者，取得了良好的初步效果。Credit: Graham Beards (Wikimedia Commons,CC BY-SA 3.0)。

對安全性有所了解之后，一項(xiàng)基于CRISPR編輯的療法的早期人類試驗(yàn)在中國進(jìn)行，該試驗(yàn)于去年秋天在The New England Journal of Medicine [15]上報道，該研究的重點(diǎn)是人類免疫缺陷病毒（HIV）感染者，同時他們也患有白血病，將接受骨髓移植。為了實(shí)現(xiàn)“雙重”治療，研究人員計(jì)劃使用CRISPR將已知可免疫HIV的基因引入捐贈的骨髓細(xì)胞中，然后再移植入患者體內(nèi)。但是，由于該試驗(yàn)最終只限于一名患者，其白血病癥狀持續(xù)緩解，但HIV感染沒有改善，因此它僅提供了一種易接受的安全的嘗試。在19個月的監(jiān)測期間內(nèi)，該試驗(yàn)沒有導(dǎo)致明顯的不良后果，患者的白血病病情保持緩解[15]。其他使用CRISPR專門治療癌癥的研究，包括在費(fèi)城賓夕法尼亞大學(xué)的三名患者身上，也顯示耐受性良好[2]。

去年開始嘗試將CRISPR應(yīng)用于人類健康的試驗(yàn)的進(jìn)一步結(jié)果，有望在2020年揭露。在一項(xiàng)研究中，生物技術(shù)公司Editas Medicine（劍橋，英國）和Allergan（Parsippany-Troy Hills，新澤西州，美國）旨在治愈一種名為Leber先天性黑朦的遺傳性失明。在迄今為止的CRISPR人類試驗(yàn)中，這項(xiàng)試驗(yàn)之所以引人注目，是因?yàn)樵撛囼?yàn)將其生物分子修復(fù)機(jī)制直接注入患者的眼睛，首先以適量劑量測試其安全性，然后可能以更高劑量來評估療效。 到目前為止，所有其他CRISPR試驗(yàn)都只是在體外對采集或捐贈的細(xì)胞進(jìn)行了基因編輯，這樣可以在移植進(jìn)患者身體之前檢查它們的脫靶變化[16]。

然而，由于2019新型冠狀病毒（COVID-19）的大流行，一些CRISPR相關(guān)的臨床試驗(yàn)以及許多其他試驗(yàn)[17]已經(jīng)停滯了。3月底，CRISPR Therapeutics公司（楚格，瑞士）報道，它和它的合作伙伴Vertex Pharmaceuticals公司（波士頓，馬薩諸塞州，美國）已經(jīng)停止了其臨床試驗(yàn)中受試者的進(jìn)一步用藥，較早一項(xiàng)研究的隨訪研究報告顯示，其中兩名患有β地中海貧血和鐮狀細(xì)胞貧血患者的結(jié)果令人鼓舞。3月31日，這家瑞士生物技術(shù)公司向美國證券交易委員會提交的一份文件顯示，由于新冠病毒大流行導(dǎo)致缺乏床位和其他醫(yī)院資源，造成了公司停業(yè)[18]。該公司辦公室的關(guān)閉以及3月份股價下跌20%，對試驗(yàn)何時能繼續(xù)進(jìn)行帶來了不確定性。

4. 轉(zhuǎn)向COVID-19

目前至少有一項(xiàng)人體實(shí)驗(yàn)處于擱置狀態(tài)，而生物工程師們已經(jīng)開始著手應(yīng)用CRISPR對抗大流行的新挑戰(zhàn)。一些值得注意的例子包括，一個小組正在研究CRISPR能否提供針對嚴(yán)重急性呼吸綜合征2型冠狀病毒（SARSCoV-2）的生物防護(hù)（圖3），另一組正利用CRISPR來改進(jìn)COVID-19的診斷測試。

2018年，美國國防高級研究計(jì)劃局與由生物工程助理教授L. Stanley Qi [19]和兒科學(xué)教授David Lewis領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)室簽訂了合同，來部署CRISPR的天然抗病毒武器，以對抗新興的和潛在的人類流感病毒。隨著冠狀病毒疫情迅速擴(kuò)大，該小組“迅速轉(zhuǎn)向并使用我們的方法來對抗COVID-19”，負(fù)責(zé)小組該項(xiàng)目工作的在職科學(xué)家Marie La Russa說。

圖3. 與全球分子生物學(xué)研究一樣，CRISPR正在加快與SARS-CoV-2、COVID-19冠狀病毒（如這里的醫(yī)學(xué)插圖所示）相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)調(diào)查，以及開發(fā)新型抗病毒藥物和快速診斷測試。HE：血凝素酯酶。資料來源：Scientific Animations (Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)。

研究人員正在開發(fā)一種基于CRISPR的新型殺病毒劑，但并不依賴CRISPR吹噓的基因編輯能力。Qi給這種分子對策取了個綽號叫做“吃豆人”（用于人類細(xì)胞中的預(yù)防性抗病毒CRISPR），其目的是定位并摧毀病毒粒子的基因組，防止它們在接觸過病毒的人群中復(fù)制。La Russa說，這些實(shí)驗(yàn)最終有可能實(shí)現(xiàn)“CRISPR作為臨床有效的抗病毒藥物的首次應(yīng)用”。

由于在最初實(shí)驗(yàn)中缺少可以研究的SARS-Cov-2實(shí)驗(yàn)室菌株，Qi、La Russa和他們的同事模擬了SARSCoV-2的感染，方法是制造病毒基因組區(qū)域的RNA副本，并用它們“感染”人類肺上皮細(xì)胞的組織培養(yǎng)物。為了檢驗(yàn)該策略的防護(hù)潛能，他們用Cas13d結(jié)合從SARS-CoV-2基因組中制備的RNA序列作為引導(dǎo)分子來處理細(xì)胞。據(jù)《細(xì)胞》雜志4月29日的報道，有針對性的反擊使病毒成分的復(fù)制減少了49%～90% [20]。其他幾個組織也在研究類似的策略[21,22]。

緊接著，斯坦福大學(xué)的研究小組在生物危害等級為三級的設(shè)施中檢驗(yàn)了其抵御活性SARS-CoV-2感染的方法，并確定了一種合適的方法將CRISPR/Cas13d藥劑安全地送入動物的上、下呼吸道。其最終目標(biāo)是將CRISPR/Cas13d輸送至人類呼吸道，以預(yù)防或治療病毒性呼吸道感染，包括由冠狀病毒或流感病毒引起的感染。Lewis是一名醫(yī)學(xué)博士和病毒免疫學(xué)研究員，他說，該項(xiàng)目有望在2021年春天進(jìn)行人體試驗(yàn)，不過實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)更有可能需要兩年。

其他來自美國的CRISPR專家團(tuán)隊(duì)一直在探索利用RNA裂解的Cas蛋白來創(chuàng)建快速且潛在低成本的診斷測試，這些測試對感染性病原體、癌癥DNA和其他感興趣的靶基因[23]具有高度敏感性和特異性。5月初，美國食品藥品管理局向馬薩諸塞州劍橋市的Sherlock Biosciences公司授予緊急使用權(quán)，允許其在醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行大容量測試，這是首次為基于CRISPR的COVID-19診斷測試提供授權(quán)。這一成就的背后是一群來自波士頓的麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和相關(guān)機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)研究人員，他們成立了一家公司，將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。

將這項(xiàng)工作應(yīng)用于COVID-19表明他們的CRISPR系統(tǒng)在檢測SARS-CoV-2時可以產(chǎn)生熒光信號。據(jù)公司介紹，該測試大約能在1 h內(nèi)產(chǎn)生結(jié)果，并且僅僅在棉簽或唾液中檢測到100個病毒粒子[24]。該公司還聲稱，該設(shè)備在2000次測試中的表現(xiàn)很完美，未產(chǎn)生假陰性或假陽性結(jié)果。該公司還致力于將這一技術(shù)應(yīng)用于一種類似妊娠檢查的簡易設(shè)備，以便對COVID-19進(jìn)行快速的即時診斷。

5. 倫理問題

長遠(yuǎn)來看，如何利用CRISPR的力量提升人類健康和福祉，特別是將其作為基因工程的推動者，是人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。2018年11月，中國的一個小型研究團(tuán)隊(duì)被發(fā)現(xiàn)秘密使用CRISPR修改人類胚胎[25]。

由于這項(xiàng)工作引起了軒然大波，CRISPR提供了相對輕松地改變和控制遺傳特征的能力，通過編輯胚胎或成年生殖細(xì)胞（如卵子）來修飾基因，從而傳遞給后代。正因?yàn)槿绱耍S多人認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)對人類血統(tǒng)充滿倫理和道德上的威脅?！癈RISPR嬰兒”中編碼的種系編輯可能會帶來未知的健康風(fēng)險，這些風(fēng)險有可能會遺傳給后代。然而，批評家警告說，在極端的情況下，CRISPR可以促進(jìn)優(yōu)生學(xué)，通過這種方式，可以指定孩子們有或沒有特定的特征。

2019年2月，據(jù)中國新華社報道，在對非法醫(yī)療行為進(jìn)行刑事審判后，法院已對修改胚胎的三名成員判處監(jiān)禁和罰款[25]。前深圳南方科技大學(xué)副教授、該隊(duì)隊(duì)長何建奎被判處最嚴(yán)厲的刑罰：三年有期徒刑和300萬元人民幣（約合42.5萬美元）的罰款。法院還判處研究人員終生不得參與人工輔助生殖技術(shù)服務(wù)和其他活動。

CRISPR已經(jīng)增加了科學(xué)家、工程師、倫理學(xué)家、宗教領(lǐng)袖、政策制定者和其他組織在會議、學(xué)術(shù)文章和機(jī)構(gòu)報告中與人類種系編輯的對、錯、風(fēng)險和利益相關(guān)的討論和辯論的緊迫性。然而，直到2018年11月，這一對話都是在一個有普遍共識的背景下進(jìn)行的，一些國家比其他國家更加正式地承認(rèn)了這一共識[26]——不應(yīng)該進(jìn)行此類編輯（假如曾經(jīng)有過），除非在全球范圍內(nèi)對此事進(jìn)行深入而徹底的審查，有可能的話，建立一個關(guān)于此事的權(quán)威國際機(jī)構(gòu)。

在2018年事件的推動下，世界衛(wèi)生組織成立了一個新的委員會來重新討論這個問題，同樣地，美國國家科學(xué)院和醫(yī)學(xué)院與英國皇家學(xué)會也合作成立了一個國際委員會[27]。這些機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)將于2020年年中發(fā)布報告；美國國家科學(xué)院的一位發(fā)言人在4月初表示，委員會的報告不太可能在6月份之前發(fā)布。與此同時，3月3日，法國、德國和英國的三個道德委員會就他們在人類遺傳基因組編輯的立場發(fā)表了一份聯(lián)合聲明[28]，表示這一行為在這三個國家和歐洲其他大部分國家以及韓國、澳大利亞、加拿大、墨西哥和巴西都是法律禁止的[26]。