医学新趋势：“基因剪刀手”开辟治病新途径
2018-03-05 曲彬 杜玮南 健康报医生频道
基因编辑技术是在DNA水平上对遗传物质进行人为修改的技术，也被称之为“分子魔剪”。它最早可追溯到20世纪70年代的同源重组技术，在人类历史上首次实现了对遗传物质的定点修饰。但是因为同源重组效率极其低下，必须借助于胚胎干细胞才能实现基因修饰，而且复杂的操作也限制了它的应用。所以早期的分子魔剪又大又笨重，效率也很低。
导读
基因编辑技术是在DNA水平上对遗传物质进行人为修改的技术，也被称之为“分子魔剪”。它最早可追溯到20世纪70年代的同源重组技术，在人类历史上首次实现了对遗传物质的定点修饰。但是因为同源重组效率极其低下，必须借助于胚胎干细胞才能实现基因修饰，而且复杂的操作也限制了它的应用。所以早期的分子魔剪又大又笨重，效率也很低。
随后，基于核酸酶的其他基因编辑技术逐渐被开发出来，包括锌指核酸酶（ZFN）、TALEN以及近几年非常火热的CRISPR/Cas9技术，这些魔剪逐渐变得轻便灵动起来。尤其是CRISPR/Cas9技术因其简便、容易操作而被广泛应用到各个领域。
基础研究领域百花齐放
CRISPR/Cas9作为一种基因编辑技术应用于科研的时间并不长，迄今仅仅四五个年头。2013年Jennifer Doudna和华人科学家张锋首先分别报道在原核生物和真核生物上对细胞的遗传基因进行了有效的修改。
这一技术一问世，就因为展现了强大的基因修改技术和简便的操作过程立即风靡全世界。以前认为非常困难的基因敲除、基因修饰在新技术下显得轻松容易很多。当然由此也带来了强大的利益之争。Jennifer Doudna和张锋所代表的两大学术机构也展开了旷日持久的争夺。最后张锋所在的博德研究所笑到了最后。
同时期，一些诸如体积更小的Cas核酸酶如CPF1，或者仅能切割单链DNA的Cas9、靶向RNA而不是DNA的Cas系统也被陆续发现。增加特异性，增加效率，减少脱靶效应，增加静息细胞的基因编辑效率等等也都在开发之中，所有这些发现都使得这个CRISPR/Cas编辑系统正在逐渐走向成熟。
非CRISPR相关的其他基因编辑技术也有进展。比如David Liu就曾经报道基于胞嘧啶脱氨酶的单碱基编辑系统，能够将C?G碱基对变成T?A，或者反过来。该技术不依赖DNA断裂，而且效率高。不过这个基因改变并不能做到随心所欲，而是在一段DNA范围内都改变了，距离实际应用还有很大距离。
在医学、农业等领域大放异彩
基因编辑技术的进步，很自然地被用于了实际生活中，比如遗传疾病或者农业上。据统计，迄今为止已知的单基因遗传病有1万多种，因为患者人群数目少，大多无药可治，基因编辑是根治这些遗传病的唯一有效手段。
目前科学家开展了多项临床前的研究，例如在小鼠中针对高血氨症（OTC）、血友病等肝脏系统遗传病进行在体的基因治疗，能显著改善病症；基因治疗杜氏肌营养不良（DMD）；基因治疗镰刀细胞贫血疾病，通过体外修复造血干细胞，然后回输体内的方法成功治疗患病小鼠。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，成功修复小鼠内耳的致聋性基因突变等。
2017年CRISPR/Cas9技术被用于修正植入子宫前的人类胚胎中一种和遗传性心脏病有关的变异并取得了显著成功。该研究证实了通过编辑人类胚胎进行治疗遗传病是安全可行的。此外，2017年美国一家公司启动SB-913首例人体临床试验，尝试通过体内基因编辑彻底治愈亨特氏综合征，如果能获得成功将成为基因治疗史上里程碑意义的技术。同年美国纪念斯隆研究所利用Crispr/Cas9技术把CAR基因运送到T免疫细胞基因组的特定位点上，从而构建出一个强效的Car-T细胞，能够更加持续的杀死肿瘤细胞，为实体瘤的基因治疗打下了坚实的基础。这一切都预示着现在的基因编辑技术正在进入黄金发展期，将来也必定会有更大的发展前景。
近年来，我国在通过基因编辑技术和应用方面也取得了长足进展。比如2015年我国中山大学黄军就等就利用CRISPR/Cas9技术在人类胚胎中对导致β型地中海贫血症的致病基因进行了修饰，这是首次对人类自身胚胎进行的突破性基因编辑尝试。2017年被喻为“基因剪刀手”的杨璐菡等，通过CRISPR/Cas9技术敲除猪基因组中的内源逆转录病毒（PERV）序列，并克隆出多只PERV失活小猪，向最终实现使用猪器官进行人体器官移植的终极目标迈进了一大步。
另外，多家实验室也正从事基因编辑治疗艾滋病的研究，已有研究团队有效剔除了一种人源化小鼠多个器官组织中的人类艾滋病病毒，我国北京大学团队则是通过敲除CCR5基因来获得对HIV的天然抵抗力。2017年9月，杂交水稻之父袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技术敲除与镉吸收和积累相关基因的水稻育种成功。该研究从根本上解决了水稻镉污染的问题，将扭转我国部分农作物重金属超标的问题，进而改善部分人群重金属慢性中毒的问题。
应重视基因编辑伦理与监管
尽管基因编辑技术展现了强大的生命力，良好的治疗前景也吸引了巨量的资本投入。但是基因编辑技术本身并不十分成熟，也没有达到至臻完美的程度。各种各样的研究依然在进行之中，以期更加简单和实用，同时也尽力减少它的那些副作用，包括脱靶效应，嵌合体和在单基因突变方面效率过低的问题。
另外基因编辑也面临着伦理学上的争议。比如，2015年中国科学家首次编辑人类胚胎的时候曾引起巨大的批评。当年在美国华盛顿召开的人类基因编辑峰会达成共识，严格禁止人类生殖系基因编辑在临床中的应用，同时鼓励基因编辑的基础研究和成体细胞层面的基因治疗。经过两年多的广泛讨论和技术改良，人们逐渐放开了限制，2017年2月美国国家科学院出台报告：应该允许科学家修改人类胚胎，以消除镰状细胞性贫血等毁灭性遗传疾病。同时强烈建议：“一旦基因编辑技术充分应用于人类，当同步设定适当的限制条件。”
对于国家来讲，应加强法律、法规和伦理指导原则的建设，保障基因编辑研究和应用健康有序开展。同时，应建立成立专门的基因编辑专家委员会，对基因编辑技术的临床转化研究制定政策，监管基因治疗的正常进行。
未来的基因编辑技术，应该是一种高效的基因修改技术。比如在人耳的毛细胞引入某种功能正常的基因来治疗耳聋，或者血细胞里引入好的突变来治疗贫血，甚至刻意把突变引入癌细胞来引发免疫细胞的杀伤反应，而且不影响其他细胞的功能。这一切都有赖于基因编辑技术的进一步发展和完善。目前这一技术已经在遗传性疾病、眼科疾病治疗、耳聋治疗、艾滋病治疗、肿瘤治疗、免疫治疗、血液病的治疗等方面都大放异彩，而且必将会取得更大的进展。在治疗载体上目前最有效的就是AAV（腺病毒相关载体）系列，已经接近临床批准，一旦在安全性上被证实无虞，必将会大大加速它们的临床应用。（文/中国科学院动物所 曲彬 美国凯斯西储大学 杜玮南）
作者：曲彬 杜玮南
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