“這是一條很大的紅線”

旅順廣播電視網綜合 劉 欣2019-07-04 10:01:44
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Jeff Carroll發現自己攜帶一種可導致亨廷頓氏舞蹈癥的突變基因。亨廷頓氏舞蹈癥是一種破壞大腦和神經系統的遺傳病,患者會以早逝告終。他知道母親4年前得了這種病,而自己幾乎也會得這種病。

因為有50%把同樣悲慘命運傳給后代的可能性,Carroll夫婦決定不生孩子。通過學習這種疾病的知識,Carroll發現了一個叫做植入前基因診斷的過程。通過體外受精和篩選胚胎,Carroll和妻子幾乎可以消除這種突變的遺傳可能。他們決定試一試,并在2006年生下一對沒有亨廷頓氏突變的雙胞胎。

現在,Carroll是美國西華盛頓大學的一名研究人員,他正在使用CRISPR基因編輯技術調節亨廷頓氏舞蹈癥突變基因在小鼠細胞中的表達,這可能會幫助跟他有同樣狀況的夫婦。

但是,使用CRISPR改變人類胚胎基因的前景仍然讓Carroll感到擔憂。“這是一條很大的紅線。”

“基因編輯本身就面臨很多技術挑戰,但人們最關注的是基因編輯帶來的非預期基因變化。”杰克遜實驗室干細胞研究專家Martin Pera說,“不過,這一挑戰也可能是最容易克服的。”

目前,最流行的基因編輯方法是CRISPR-Cas9。CRISPR-Cas9是微生物在長期演化過程中形成的一種適應性免疫防御,可用來對抗入侵的病毒及外源DNA。如今,CRISPR-Cas9被人類重新利用,構建了很強的RNA引導的DNA靶向平臺,主要用于基因組編輯、轉錄擾亂、表觀遺傳調控等。

會“偏離目標”的基因編輯

CRISPR-Cas9的原理是,通過提供一個RNA片段,引導Cas9酶到達基因組中的特定位置,對DNA進行切割。

但Cas9和類似的酶也能在其他位點切割非目標DNA,特別是當基因組中有與目標相似的DNA序列時。這種“偏離目標”的錯誤切割可能導致健康問題:例如,對抑癌基因的改變可能會導致癌癥。

研究人員一直在尋找錯誤率較低版本的Cas9酶,錯誤率的高低取決于目標基因組的位置。小鼠與人類細胞之間、成熟細胞和胚胎細胞之間的錯誤率可能不同。目前,許多基因編輯酶只在小鼠或培養的人類細胞中研究過,在人類胚胎中并沒有進一步研究。

考慮到每次細胞分裂都會發生少量DNA變化,有科學家認為,DNA切割的錯誤率可能不需要為零。一些DNA的背景變化是可以接受的,特別是當這項技術用來預防或治療某種嚴重疾病時。

雖然有研究人員認為目前CRISPR的錯誤率足夠低,但英國巴斯大學胚胎學家Tony Perry認為,“我們并沒有真正掌握人類卵母細胞和胚胎細胞的編輯特異性。”

DNA修復或可讓基因編輯更精確

Cas9或類似的酶切割DNA后,切割傷口的愈合取決于細胞。但細胞的修復過程是不可預測的。

常用的修復方法有兩種。一種是非同源末端連接法——通常會在切割位點刪除一些DNA堿基,如果基因編輯的目的是關閉突變基因的表達,該修復方法可能會很有用。

另一種是同源定向修復,允許研究人員在切割位點按照編輯的模板進行DNA復制,以重寫DNA序列。

但這兩個方法都很難控制。非同源末端連接引起的基因缺失可大可小,會產生不同的DNA序列。同源定向修復對基因編輯過程有更多的控制要求。目前還不清楚同源定向修復在人體的效果如何,甚至它是如何工作的也不明確。

《自然》2017年發表的一項研究稱,在人類胚胎中使用CRISPR-Cas9糾正與心力衰竭相關的基因變異(這些胚胎從未被植入過基因),結果顯示,經過修飾的細胞使用了母親的基因組作為DNA修復模板,而不是研究人員提供的DNA模板。

但其他研究人員后來報告說,他們無法重復這一結果。加州大學伯克利分校分子生物學家Jennifer Doudna說:“目前,我們還不清楚胚胎是如何處理DNA修復的。我們需要用其他物種的胚胎做大量工作,以了解它的基本原理。”

研究人員正在探索解決DNA修復相關問題的方法。

《自然》今年6月發表的兩篇報告討論了一種CRISPR系統,該系統可以在不破壞兩條鏈的情況下將DNA插入基因組,從而繞過對DNA修復機制的依賴。如果這個系統能經受住進一步測試,那么研究人員便可以更好地控制基因編輯。

另一種方法是使用一種名為堿基編輯的技術。堿基編輯器將一個失效的Cas9與一種酶結合,這種酶可以轉換DNA堿基。失效的Cas9將堿基編輯器指向基因組的某個位點,在那里,它將直接使DNA產生化學變化,而不是切割。

然而,《科學》4月份發表的研究表明,其中一些堿基編輯也容易偏離目標,研究人員正在努力提高其準確性。

怎樣編輯人類胚胎才是安全的

即使基因編輯的靶向性和準確性是完美的,但在人類生殖系中進行哪些類型的基因編輯是安全的,仍是一個問題。

2017年,由美國國家科學、工程和醫學院牽頭的一項國際研究概述了基因編輯人類胚胎應滿足的條件。其中一個標準是,基因編輯產生的DNA序列在人群中已經很常見,而且沒有已知的疾病風險。

此外,基因編輯人類胚胎的臨床試驗還面臨一系列新的挑戰。例如,在這項技術被認定為安全之前,需要對基因編輯過的兒童進行多長時間的隨訪?研究人員將如何追蹤這些孩子的子女,以研究跨代效應?美國波特蘭州立大學生物倫理學家Bryan Cwik說:“這將是一場混戰。”

5月22日,美國國家科學、工程和醫學院與英國皇家學會宣布成立一個委員會,該委員會將研究基因編輯的遺傳特性,并計劃明年發布研究報告。

我們準備好“冒險”了嗎

盡管基因編輯在理論技術層面面臨著巨大挑戰,但更棘手的可能是它的倫理和社會問題,世界各地的科學團體紛紛就此問題發布報告和立場聲明。

達成全球共識是一項艱巨的任務,目前就此問題的大多數磋商都在西方國家進行。

印度邦賈布大學人類學家Kewal Krishan說,在印度,關于可遺傳基因編輯的討論就很少。

瑞士日內瓦大學生物倫理學家、WHO前顧問Abha Saxena希望磋商能夠繼續下去,即使達成全球共識的最終目標可能實現不了。“我們準備好了嗎?這很難說。但人類總是充滿冒險精神。”Saxena說。

《中國科學報》 (2019-07-04 第3版 國際)