因為實現了對“生命密碼”的改寫，兩位女科學家詹妮弗·杜德納和埃馬紐爾·夏彭蒂耶摘得2020年諾貝爾化學獎。她們發明的基因修飾方法CRISPR-Cas9現如今已經在全球各大實驗室開展了使用。用“基因剪刀”改寫“生命密碼”，未來是否能徹底解決人類的基因遺傳疾病？揚子晚報記者邀請南京大學生命科學學院生物化學與分子生物學系系主任陳熹教授進行了解讀。
“基因治療”上世紀60年代就開始興起
認識“基因剪刀”之前，有必要先科普一下什麼是“基因治療”。陳熹教授告訴記者，基因治療是將外源基因通過一些高新技術，靶嚮導入細胞，從而糾正和補償有缺陷基因導致的疾病的一種生物醫學技術。
基因治療按操作可以分為基因矯正、基因置換、基因增補或者基因失活，通俗地說，要麼矯正壞的基因，要麼換掉一個，或放進去一個新東西來補償它失去的作用，或把這個壞的基因沉默掉。
從上世紀60年代，就開始有一些比較有遠見的科學家提出了基因治療的相關概念。1990年,被譽為基因治療之父的威廉弗倫奇安德森完成了首例成功的基因治療人體實驗，激發國外大量醫療機構和醫藥公司湧入基因治療這個領域。
但沒幾年基因治療就發生了陷入低谷的事件，18歲的男孩傑西格爾辛格，在參加賓州大學I期臨床實驗的時候，發生了由於病毒載體引發的強烈的免疫排斥，導致全身器官衰竭而死亡。
從2004年發展至今，大家又迴歸了理性，將研究重點回歸於技術開發本身，而不是急於在技術不成熟的時候開展臨床試驗。通過這一階段研究，相繼發展出了三個革命性的技術，基因編輯技術就是其中之一。
“基因剪刀”既能剪輯，還能修正
“DNA（脫氧核糖核酸）是儲存人類遺傳信息的重要物質，基因上攜帶的信息狀況，便決定了人類的外部展現。因此，通過‘基因剪刀’剪輯、修飾或是替換基因上的信息，可以實現功能分子蛋白質的調控，理論上實現治療任何疾病的可能。”陳熹教授告訴記者，“基因剪刀”是中文的一個形象比喻，它不是一把真正的“大剪子”，而是一種具有RNA導向的核酸酶，能夠通過DNA（脫氧核糖核酸）剪切技術治療多種疾病，有時又像“塗改液”一般，將基因上錯誤的信息進行修正，是近年來炙手可熱的一種基因治療方法。通過對DNA的修剪，科研人員可以關閉某個基因或引入新的基因片段,從而達到治病目的，非常高精度地改變動物、植物和微生物的 DNA。
此次獲獎的兩位科學家發明的CRISPR-Cas9，是對靶向基因進行特定DNA修飾的技術，是目前基因編輯領域最前沿的方法，被譽為基因魔剪。CRISPR是基因組DNA上的一段特殊的序列，源於細菌及古細菌中一種獲得性免疫系統，能夠識別出入侵細菌的病毒，並通過一種特殊的酶破壞入侵的病毒。天然的 CRISPR—Cas9 基因剪刀可以識別病毒中的 DNA，但是今年被授予諾貝爾化學獎的兩位科學家證明了我們可以控制它們，以便在預定位點切割任何 DNA 分子。在此之前，研究人員若要發現生命的內部運作原理，就需要修飾細胞中的基因。這項工作曾經十分耗時、困難甚至有時是不可能。而使用 CRISPR —Cas9 基因編輯工具，現在可以在幾周的時間內更改生命編碼。
兩位科學家能夠獲獎，贏在了首次體外證明
根據公開的報道信息，多位科學家都在“基因剪刀”的研發中作出貢獻。比如美國麻省理工學院——哈佛大學博德研究所張鋒實驗室，他們成功改造CRISPR系統，實現了在哺乳動物細胞（包括人類細胞）中的基因組編輯。
但最終獲得諾貝爾獎認可的是詹妮弗·杜德納和埃馬紐爾·夏彭蒂耶，對此陳熹認為，這與兩位科學家在《科學》雜誌發表的論文有著密切關係。2012年6月，詹妮弗·杜德納和埃馬紐爾·夏彭蒂耶在《科學》雜誌發表論文，證明了CRISPR—Cas9可以進行基因編輯。論文中，兩位女性科學家帶領的研究團隊首次在體外證明使用Cas9的CRISPR系統可以切割任意DNA鏈，指出CRISPR在活細胞中修改基因的能力。這是最早發表的把細菌天然免疫系統演變成CRISPR/Cas9基因編輯工具的工作。
人類基因遺傳疾病未來或將得到徹底解決？
陳熹介紹，目前基因修飾方法CRISPR-Cas9已經在全球各大實驗室廣泛使用，作為流行的基因編輯技術。科學家通過它可以高效、精確地改變、編輯或替換植物、動物甚至是人類身上的基因，經過改造的CRISPR技術被廣泛地應用於農業和生物醫藥領域。
有了這樣一把“大剪子”，是否意味著人類的基因遺傳疾病將得到徹底解決？陳熹表示“基因剪刀”也有著較為明顯的缺陷，脫靶效應一直是阻礙其應用的關鍵障礙之一。在基因中，長相頗為相似的信息數量極多。因此，”基因剪刀”在對基因信息進行修飾時，很容易出現“誤傷”或是“路痴”的狀況，存在著小概率的“跑偏”，不小心傷及其他基因，這便是基因編輯中的“脫靶”。這個問題對於日趨精準的醫學治療來說，無疑是致命的，也是科學家們不懈奮鬥的關鍵所在。
與此同時，基因編輯所面臨的倫理爭端，也是科學界普遍存在爭議的話題之一。“我們如果對生殖細胞進行治療，稍微過線一點，可能將修飾基因傳給後代從而擴散到人群中，也可能定點改變人的正常特性。”陳熹介紹，目前，基因編輯不可以在能發育成人的胚胎細胞上進行操作。但在未來，一些遺傳病的基因編輯早期臨床實驗獲得允許，也並不是沒有可能。
【延伸】
南大專家研發光操縱的“基因剪刀”技術，基因編輯更加精準可控
2.0版“基因剪刀”目標更精準，不再“路痴”
如果說容易脫靶的“基因剪刀”是初創的1.0版，那麼由南京大學、廈門大學和南京工業大學的科研工作者組成的科學家團隊研發的基因剪刀載體，則成功讓“剪刀”升級到了2.0版，基因剪刀對目標部位剪切的精準度提高了很多。2019年4月3日，在最新一期出版的美國《科學進展》雜誌上，來自南京大學、廈門大學和南京工業大學的科研人員發表了最新的科研成果，他們開發出一種“基因剪刀”工具的新型載體，可以通過近紅外光控制“修剪”基因的方式，實現體內時間和空間上的基因編輯可控，在癌症等重大疾病治療方面具有廣闊的應用前景。
南京大學現代工程與應用科學學院教授宋玉君介紹，1.0版的基因剪刀，在“剪輯”時通常是“由外向內”，2.0版的“基因剪刀”則是“內外呼應”。
針對基因剪刀的脫靶效應問題，團隊進行了長達一年半的實驗。根據實驗，研究人員新開發的方法採用了一種名叫“上轉換納米粒子”的非病毒載體，這種納米粒子具有光轉化效果，當它們攜帶“基因剪刀” CRISPR-Cas9進入細胞內部後，在無創的近紅外光的照射下，可以發射出紫外光，這些光線就像交通指示燈一樣，為“基因剪刀”提供指令，使得Cas9蛋白不再“路痴”，可以準確進入病變組織的細胞核，從而實現精準的基因剪切。宋玉君說，紅外光具有強大的組織穿透性，這為在人體深層組織中安全、精準地應用基因編輯技術提供了可能。
記者瞭解到，目前這種方法的有效性已在體外細胞和小鼠活體腫瘤實驗中得到驗證。未來，或將在腫瘤治療中開拓新的方法。宋玉君舉例，如腫瘤的轉移與病變，當藥物治療束手無策時，或許可以通過基因編輯的方式，將腫瘤細胞“轉移”和“病變”的部分進行剪切編輯，從而成功實現消除腫瘤的目的。
揚子晚報/紫牛新聞記者 楊甜子
校對 蘇雲
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