基因编辑技术在医学中的应用

生物技术日新月异的今天，即使是像《经济学人》这样的时政批判杂志，也会放过当下热门领域，与惊喜不断而又忧心忡忡的我们讨论未来生物技术的走向。近日，《经济学人》披露，基因编辑技术可能会使运动员更强壮。早在这一技术出现之前，竞技比赛中就出现了各种兴奋剂，但这种通过修饰运动员的基因，使其更强壮的技术更隐秘，从而让对金牌有非分之想的运动员铤而走险。但它真的安全吗？这样使用基因编辑技术，是否会触及伦理问题？图片来自TED ideas基因编辑技术伦理引起争论2015年12月，一场由美国国家科学院和医学科学院、中国科学院以及英国皇家学会共同主办的“全球基因编辑峰会”（International Summit on Human Gene Editing: AGlobal Discussion）引发关注。这是有关基因编辑技术基础研究、临床应用以及伦理问题，举行的首个全球峰会。峰会在美国华盛顿召开，为期三天，与会者既有这一领域的顶尖科学家、政策制定者还有伦理学者。峰会既回顾了基因编辑在基础科学领域取得的突破，同时也探讨了可能的医学应用，由此引申出来的伦理问题，同样进行了广泛的探讨。此次峰会还达成了一项共识，即鼓励基因编辑的基础研究和在体细胞层面上的临床应用，但是对于生殖细胞的基因编辑，需考虑技术、社会以及伦理问题，属于限制级研究。峰会的导火索是由2015年4月份，来自中山大学研究者黄军就对已不能正常发育的三核胚胎进行基因编辑，论文因触碰伦理高压，在投递过程中四处碰壁，最后只得发表在影响因子很小的杂志《蛋白质与细胞》上，这是首次公开报道的科学家对人类胚胎进行的基因编辑。该研究所不断延伸出伦理讨论，先后在顶级学术期刊《自然》、《科学》等不断发酵，最终促成了当年12月份召开的全球基因编辑峰会。2017年2月，美国科学院公布的《人类基因编辑：科学、伦理以及监管》（Human Genome Editing: Science, Ethics, and Governance）报告，这份报告也是此次峰会讨论的成果之一。这份报告认为，每项科学技术的应用，我们都需要评估其效益、风险、规范以及社会伦理问题。为了能够更好地以及更为广泛地使用基因编辑技术，为人类健康造福，我们应该全面评估基因编辑技术由此带来的科学、伦理以及社会问题，并评估现有政府的行政措施，确保技术安全地被使用。图片来源网络不同的使用目的，采用不同的监管策略基因编辑技术CRISPR/Cas9是一种精准、能灵活地改变DNA序列的新兴技术，它要比最早的基因编辑技术ZFNs技术，以及后来的TALENs技术更为精准，2011年，基因编辑技术被评为《自然·方法》（NatureMethods）的“年度方法”，但直到CRISPR/Cas9技术出现后，基因编辑工具才真正变得强大起来。它能在核酸序列上精准地添加、删除以及改变遗传密码，不仅更简单方便，同时也使得基因编辑的准确率大大提高。2015年，《科学》杂志将其列为“十大年度科学突破之首”，从基础科研到对人类疾病的治疗，基因编辑技术带来的前景令人振奋，该技术拥有广阔的前景。基因编辑技术2015年被《科学》杂志评为年度科学突破之首基因编辑技术的原理简图在生物医学领域，基因编辑技术可起到三重作用：对基础科学的影响，对体细胞的基因编辑以及对生殖细胞的编辑。具体来讲，从基础科学角度来看，基因编辑技术可应用于细胞、分子、生物化学、遗传、免疫机制，包括生殖发育过程中的疾病，这些领域并不在美国伦理委员会的监管范围内。非生殖类细胞的体细胞基因编辑，包括皮肤、肝、肺、心脏细胞，但有时候体细胞会用于生殖细胞中（如体细胞核移植技术）等，它们则会受到伦理委员会的监管，伦理委员会需要了解收集以及使用这些细胞的目的。在美国以及大多数国家，这类研究都拥有健全的伦理制度监管，对体细胞基因编辑的临床应用，需以基因治疗或干预疾病为导向，但是不可影响到后代。基因编辑的基础科学试验对于我们理解以及改善基因编辑技术来说非常重要，同时也让我们了解疾病的分子机理，以至于未来可以进行人工干预。同样在实验室中，进行的生殖细胞的基础研究，也有助于我们了解人类发育的分子机制。目前来说，现有的监管体制对于这类实验有着较好的管控。由于对体细胞的基因编辑不会涉及到遗传的基因治疗，有关体细胞的基因编辑，目前主要有两种不同方式，一种是将特定的细胞在体外进行精确编辑，然后再回输到体内。另一种是将基因编辑体统通过载体打入到体内，从而实现身体某一具体部位细胞的基因，后者对基因编辑的效率以及精准率都难以把控，目前也是这类手术风险的关键所在。通过该方式治疗的疾病目前有血友病、粘多糖沉积症等。由于这种技术影响到的个体只是个人层面，所以相关伦理主要考虑的是风险与收益的问题，监管体系目前主要的任务是建立治疗标准以及监管这类手术不被滥用。这类手术的脱靶问题，在不同的平台，呈现的问题也不一样，这也是监管体系关注的问题。有关人类生殖医学的基因治疗，是目前监管最为严厉的试验。从伦理到法律，甚至延伸至社会问题，都是围绕着这个领域的基因治疗展开的。因此，有关基因编辑技术从基础研究到临床应用都需要进行全面的科学评估，这一点在政府、工业界、科学界以及与健康相关的协会组织都均已达成共识。生殖细胞的基因编辑，研究者已在动物身上成功地实现过，但如果将其使用于人身上那么就必须要求其安全且风险可控。进行这类研究的科学家之所以屡次触碰现有的监管体系，主要原因在于，人类的很多疾病是由单个基因造成，研究者仅需对他们的基因进行修饰即可改变他们日后可能出现的疾病，一方面是，基因编辑技术能够给患者带来福祉，另一方面，这种生殖细胞的基因编辑会遗传至下一代，由此迁出诸多伦理问题，原本这项技术影响到的仅是个人层面，转而变为更加复杂的社会以及宗教问题，因此政策制定者们需要认真地评估不同的文化标准，以及是否有能力建立管控不合理或滥用该技术的监管体系。因此，我们需要开展会议评估现有风险以及临床试验获益标准，并制定严格的监管体系。公众对这一话题的参与，也是促进科学以及医学进步的关键。在美国，监管体系并未放开编辑人类生殖细胞的闸口，因为美国食品与药品监督管理禁止“有关人类胚胎细胞进行的可遗传基因修饰。”而在另外一些国家，则会完全禁止这类研究。人类生殖细胞基因修饰规定，在调查的39个国家中，有25个国家法律禁止（粉色），4个国家明令禁止，9个国家不明确，1个国家限制性使用。无颜色，即不在此次调查范围内。图片来自Araki & Ishii Reproductive Biology and E 12:108生殖细胞的基因编辑应慎之又慎目前，对人类生殖细胞的基因编辑，仅需在下面的伦理框架下才被考虑。仅限于对严重疾病以及条件下使用；仅限于对病情以及状况充分认识下使用；有充分的临床前和临床数据，对患者的疾病风险和获益程度充分评估；有严格的临床监管，从而评估试验对患者的影响；最大限度地保护患者的隐私；如大规模使用，需考虑带来的社会风险。进行这类实验须遵如下几个原则：促进患者的健康福祉，将患者的利益最大化，同时将风险降为最低；透明，要求将所有信息公开透明，不仅对患者，对投资者同样需要透明公开；制定行为准则以及临床程序都需要拥有非常强而有力的依据；负责任的科学，既需要高水平的试验，同时也需要拥有良好的评估系统；尊重患者。随着基因编辑技术迅速普及到全球分子生物实验室，基因编辑技术的基础研究已非常普遍，体细胞基因编辑的临床应用目前处于初期，而未来有关生殖细胞基因编辑的临床应用可能会逐渐被接受。对此，我们应建立健全伦理体系。图片来源网络中国科学院动物研究所周琪院士是此次峰会中方代表之一，他表示“这一技术诞生后，短短几年间，就在生物医学基础研究、人口健康、农业育种和工业生产等方面发挥了重大作用。科技界和生物产业界已经形成共识：基因编辑将给基础研究和转化医学研究带来革命性变革，是下一代生物技术的核心”。鉴于基因编辑技术将带给人类治疗诸多遗传疾病的巨大潜力和好处，我们应该在规范的前提下鼓励和支持基因编辑研究。他呼吁要制定我国《基因编辑等颠覆性技术伦理指导原则》，因为这些技术一旦滥用则可能会引起巨大的伦理争议、影响国际形象、社会稳定和行业发展。“对无明显伦理争议且有重大应用价值的研究方向，支持在安全有序的基础上进行临床前研究和临床试验，对可能带来巨大伦理和社会问题的基因编辑工作，应设定严格的研究边界，禁止临床试验和应用。”编辑：姚迪（专家：纪十，科普作者，生命健康领域观察者，科普中国微平台原创首发）

这次获诺奖的新型基因编辑技术是什么？它的终极用途其实是医学

基因编辑还可以治疗一些造血干细胞引起的疾病吧。

其实就是把人体的基因进行重新的排列。

DNA是绝大部分生物的遗传信息的储存介质，由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四种核苷酸组成，并且严格遵守A-T,C-G的碱基互补配对原则，DNA链上这四种核苷酸的排列信息就是生物体的主要遗传信息。基因是控制生物性状的基本遗传单位，即一段携带特定遗传信息的DNA序列，主要通过翻译出对应的效用蛋白发挥功能。 图 DNA的结构示意图（图片来自网络）基因异常往往导致各种疾病的发生：如在超过50%的人类肿瘤中都能检测到编码p53蛋白的基因的突变（丧失活性）；Rag1等基因的突变会导致重症联合免疫缺，患儿终生不能接触外界空气，只能终生生活在隔绝容器内（图2）。 图 终生生活在隔离容器内的美国男孩大卫·维特（图片来自网络）什么是基因编辑技术？基因编辑技术是指特异性改变目标基因序列的技术。目前主要的基因编辑技术都是基于如下原理发展而来的：在细胞内利用外源切割复合体特异性识别并切割目的基因序列，在目的基因序列上制造断裂端，这种断裂端随即会被细胞内部的DNA损伤修复系统修复，重新连接起来。在此修复过程中，当有修复模板存在时，细胞会以修复模板为标准进行修复，从而实现对基因序列的特异性改变，即基因编辑（图2）。 图3 基因编辑技术的基本原理示意图要实现基因编辑，外源切割复合体必须满足两个条件：① 切割复合体必须可以特异性地识别和结合至目的基因DNA序列上，这是各种基因编辑技术的主要差异所在，也是发展基因编辑技术的最大困难所在；② 切割复合体必须具有切割DNA，制造断裂端的功能；基因编辑技术的简要发展历史自1953年沃森和克里克两位科学家提出DNA的双螺旋结构以来，人们一直都在积极探索着高效便利的基因编辑技术：上世纪80年代，科学家在小鼠胚胎干细胞中通过基因打靶技术实现了基因编辑（2007年诺贝尔生理医学奖），但此技术在其余细胞内效率极低，应用受到了极大的限制；上世纪90年代，基于细胞内不同锌指蛋白可特异性识别DNA上3联碱基的特征以及核酸酶FokI二聚化后可以切割DNA的特点，人们通过锌指蛋白偶联Fokl的策略逐渐发展出了一种新的基因编辑技术--锌指蛋白核酸酶技术（Zinc Finger Nucleases, ZFNs）。但此技术专利被公司垄断，且锌指蛋白数量有限，可以识别的DNA序列数量有限，其应用也受到了很大的限制。随后，基于改造后的植物病原菌中黄单胞菌属的TAL蛋白可以特异性识别DNA中一个碱基的特性，人们又发展出了新的基因组编辑技术--转录激活样因子核酸酶技术（Transcription activator-like effector nucleases, TALENs）。此技术理论上可以实现对任意基因序列的编辑，但其操作过程较为繁琐，一定程度上限制了其应用。近年来，基于细菌规律成簇的间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR)系统发展而来的新一代基因组编辑技术--CRISPR/Cas9技术，使得基因编辑变得更为简易、高效。值得提出的是，华裔科学家张锋教授对于CRISPR/Cas9技术的发展与应用作出了重要贡献，是目前这一领域的领军人物之一。基因编辑技术的最新发展由于目前最为广泛应用的CRISPR/Cas9技术仍然存在着无法对所有基因序列实现编辑、可能错误编辑其余基因、切割复合体中RNA容易降解导致复合体不稳定等一些不足之处，人们主要从以下几个方面优化发展新的基因编辑技术：1)  优化CRISPR的蛋白序列，使得其可以识别更多的序列，并且能够更为有效地编辑基因序列；2) 寻找新的具有特异性识别和切割目的基因序列的蛋白。如张锋教授在去年报道的Cpf1，已被证实为一类新的基因编辑工具；而目前引起广泛争议和关注的我国河北科技大学韩春雨教授在今年初报道的NgAgo，如果其真的可以实现细胞内的基因编辑，也是一类新的基因编辑工具，是目前各种基因编辑工具的有效补充；近期，我国南京大学学者又开发了一类新的基因编辑工具—SGN，也引起了学界的广泛关注。基因编辑技术的应用随着CRISPR/Cas9等新型基因编辑技术的迅猛发展，基因编辑技术在诸多方面都有着极为广阔而光明的应用前景：1)  畜牧业和农业方面，现在已经在包括鸡、牛、羊等重要家畜和玉米、水稻、棉花等重要经济作物中实现了基因改造，有效地提高了这些家畜和经济作物的产量和质量；2)  医疗健康方面，一方面，对于先天性基因突变致病患者，利用基因编辑技术改正突变的基因，可以为这些疾病的彻底根治提供希望。如在2013年，我国科学家上海生化细胞所的李劲松教授就利用CRISPR/Cas9技术治愈了小鼠的白内障遗传疾病。另一方面，基因编辑技术还有望为彻底治愈一些重大疾病的提供希望，如利用基因编辑技术改造艾滋病病毒HIV-1携带者免疫细胞中的CCR5基因，可以使得细胞不再受HIV-1病毒感染，有望成为彻底战胜艾滋病的有力武器。结语：迅猛发展的基因编辑技术正在给我们的生活带来巨大的变化，在享受先进科学技术带来的种种福利的同时，我们也必须进一步加强对于基因编辑技术的基础研究以及应用管理，以确保这一先进技术得到正确而有效地应用。编辑：何郑燕  鲁凡英（专家：吴剑锋，厦门大学生命科学学院博士，科普中国微平台原创首发）