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Crispr基因编辑技术的下一步是什么?
2022-05-25

Crispr技术的真正应用前景在于治疗由基因变异引起的疾病,如肌肉营养不良症、先天性失明、甚至某些癌症等等。

新浪科技讯北京时间3月4日消息,当去年的诺贝尔化学奖被颁给生物化学家詹妮弗•杜德纳和微生物学家埃马纽埃尔•卡彭蒂耶,奖励她们在基因编辑技术Crispr-Cas9领域所做的工作时,新闻报道纷纷将她们的发现誉为能够“重写生命之书的分子剪刀”。虽然这种能力难免与许多复杂的道德伦理问题挂钩。不过,人们的兴奋之处其实与“设计婴儿”关系并不大。

图为詹妮弗•杜德纳。

图为埃马纽埃尔•卡彭蒂耶。

第一批运用Crispr疗法的人体试验已在进行中。研究人员希望能尽快将该技术应用于临床治疗。杜德纳也表示:“Crispr研究的进展速度着实惊人。”

心脏病、阿尔茨海默症和糖尿病等多种常见疾病在一定程度上都是由基因导致的:如果某人遗传到了特定基因的“错误”变体,就更容易患上这些疾病。在这些疾病中,许多都涉及多种基因,因此情况十分复杂。但其它疾病(如囊肿性纤维化)可能仅由一个或少数几个基因的功能异常引起。这些疾病或可通过基因编辑彻底治愈,只需用健康的基因变体替换掉错误基因即可。

自科学家从上世纪70年代开始学习编辑基因以来,这种“基因疗法”就一直是他们追逐的目标。但该技术始终未达到人们的预期,因为我们的每个细胞的DNA中都含有约21000个基因,要想对其中一个基因进行编辑,难度自然很大,需要借助非常精确的工具找到目标基因、从该点切断DNA、再将一个新基因(或基因碎片)固定到该位置上。

生物学家早在数十年前便学会了编辑基因,但技术还不够精确,不足以实现安全的临床应用。假如编辑基因时动作不够准确、或不可逆地改变了其它基因,就可能造成致命后果,特别是癌症这种由基因突变引发的疾病。

但Crispr技术可以彻底改变这一局面。该技术使用了一种名叫Cas9的酶分子,最早发现于细菌体内,可以通过“编程”找到目标基因。该分子会携带一片与DNA目标点序列相同的RNA。一旦找到与这段RNA参考链匹配的DNA序列,Cas9便会将DNA的双螺旋结构一剪为二。接下来,其它酶便可向其中插入另一个DNA片段,即将“健康”的DNA序列编入原DNA的缺口之中。

杜德纳、卡彭蒂耶等人于2012年首次发布了Crispr系统。自此之后,由于它可以极大提高基因编辑的准确性,对生物基因组进行定制化编辑迅速成为可能。只要敲除或修改特定基因,便可推断出它们的作用和效果。

Crispr技术也使得基因编辑能够更好地运用于医学领域。杜德纳指出,研究人员正在先从那些只需“对某个易于瞄准的细胞或组织中的单个基因进行简单修改”的疾病着手。她还补充道,由于这种方法较新、成本较高,因此优先研究暂无其它疗法的疾病是很合理的。

维多利亚•格雷成为了第一位接受Crispr实验疗法治疗镰刀型细胞贫血症的患者。

一些血液疾病(如镰刀型细胞贫血症和β-地中海贫血症)就很符合上述条件。镰刀型细胞贫血症是由于血红蛋白基因发生突变、改变了细胞形状,导致血液流动出现问题。去年,在美国田纳西州的一家医院里,一位名叫维多利亚•格雷的女性成为了第一位接受Crispr实验疗法治疗镰刀型细胞贫血症的患者。研究人员从她的骨髓中采集了干细胞,然后在体外进行治疗,修改了其中一个与血红蛋白合成相关的基因,最后再将干细胞移植回患者体内。从目前来看,这次治疗似乎取得了成功:格雷再也不用像之前那样定期输血或住院了。

格雷目前正在参与基因编辑公司Crispr Therapeutics 与生物制药公司Vertex Pharmaceuticals在波士顿联合开展的镰刀型细胞贫血症及β-地中海贫血症Crispr治疗项目。但杜德纳提醒,早期疗法一定会相当昂贵。降低治疗费用正是她在伯克利创立的创新基因组研究所的主要研究目标之一。“如果找到了镰刀型细胞贫血症的治疗方法,却无人负担得起,那么这绝非该问题的解决之道。”

伯克利生物工程师尼伦•莫西指出,Crispr技术的一大吸引力在于,它可以一次性解决问题。只要接受治疗,基因就可彻底修复,不必每隔几月就跑一趟医院。不仅如此,基因编辑无需特别高效便可达成目的。“就镰刀型细胞贫血症而言,只需纠正患者5%的干细胞中的突变基因,就足以产生积极的临床效果了。”杜德纳指出,“当然,我们追求的目标远不止于此。我们越是有的放矢,治疗效率就越高。”

治疗这些疾病的一大优势在于,Crispr系统很容易被部署到血液中去。而在编辑其它组织时,药物则多了一道屏障,需要通过血液才能进入组织细胞。如果只是将药物分子注入血液,它们很快便会被身体免疫系统降解。因此最好将这些分子装入某种微型载体之中,比如合成颗粒、或失活病毒(新冠疫苗的活性成分就是通过这种途径输送的)等等)。但这些载体体积往往过大,难以穿越细胞膜、进入组织。“药物输送是个很棘手的问题,”莫西指出,“谁要是解决了它,一定能为疾病治疗开启更多机会。”

还有一些研究人员希望Crispr技术可以用于抗癌。例如,我们也许可以利用基因编辑强化免疫系统,从而更好地摧毁肿瘤细胞。这种癌症免疫疗法已经展现出了巨大潜力。但杜德纳表示,“Crispr技术可以进一步提高该疗法的效率或有效性。其基本原理是对患者T细胞(一类对免疫响应至关重要的白细胞)进行编辑,然后将其移植回患者血液中,让它们能够更好地识别和攻击癌细胞。”

2016年,Crispr强化肺癌免疫疗法的首次人体试验在中国开展。也有人尝试过用这种方法治疗某些类型的血癌与骨癌。但要说疗效如何,现在还为时过早。还有一种途径是借助Crispr使癌细胞本身失活,可如何让基因编辑工具进入肿瘤内部也是一项挑战。但莫西指出,对于白血病等血癌,这一问题就不存在了。

动脉粥样硬化(中风和心脏病的成因之一)是Crispr的另一重要目标。有些人由于基因问题,细胞合成的PCSK9蛋白质过多,导致一种名叫低密度脂蛋白胆固醇的分子无法分解。该分子在体内水平过高会导致动脉硬化,或可引发心力衰竭。

胆固醇分解是在肝脏中进行的,而肝脏恰好是少数几个已经研制出对应药物输送载体的组织之一。因此,与PCSK9蛋白相关的动脉粥状硬化成为了Crispr疗法的理想目标。去年,位于美国马萨诸塞州剑桥市的生物科技初创公司Verve开始针对这一疗法开展试验,将人造脂质微粒作为载体,将基因编辑分子送入肝脏。与此同时,另一家位于剑桥市的公司Intellia也在探索针对镰刀型细胞、血友病和某些罕见心脏遗传病的Crispr疗法。

而同样位于剑桥市的基因编辑公司Editas则与爱尔兰都柏林的艾尔建公司合作开展了一项试验项目,运用Crispr技术治疗儿童遗传性失明中最常见的一种形式——LCA10。与之前介绍的镰刀型细胞与癌症疗法不同,这一疗法是将Crispr置于病毒体内,然后直接注射到眼睛中。杜德纳指出,眼睛是很好的治疗目标,因为它的一些特定性质可以减少基因编辑出现副作用的可能性。“我们会从此次试验中学到很多。期待能早日看到试验结果。”

莫西目前正在研究一种针对杜氏肌肉营养不良症的Crispr疗法,这是肌肉营养不良症中最常见、也最严重的形式之一。它是由一个负责合成肌营养不良蛋白的基因发生突变引起的,会导致肌肉纤维逐渐萎缩,最终造成残疾和死亡。但他猜测,Crispr疗法也许能最先在神经性遗传病领域(如亨廷顿舞蹈病)得到广泛的临床应用,因为脑组织比肌肉更容易编辑。

治疗不同疾病也许需要不同类型的基因编辑。最简单的方法便是破坏某个基因、使其失去功能。当Cas9将DNA链剪开时,细胞的DNA修复机制并不会简单地将剪开的两段重新结合在一起,而是会从两侧断口剔除一小部分片段,就像是清理参差不齐的断口一样。因此,重新结合后的基因一般来说就没用了——而这恰恰是我们需要的结果。不过相比这种“简单粗暴”的方式,有些基因编辑工作则需要用到更精确的“分子手术刀”。

“对大多数遗传病来说,我们都需要进行精确地纠正基因,才能更好地造福患者,而非破坏基因。”美国麻省理工与哈佛大学博德研究所的DavidLiu(刘如谦)表示。过去几年间,他研究出了一种利用Cas9精准修改单个碱基的方法。就像镰刀型细胞贫血症一样,有时仅仅是一个碱基出错,就会导致危险的基因突变。刘如谦的“碱基编辑器”使用的Cas9经过了修改,可以通过编程找到目标DNA,但不会将其切开,而是会与其它分子协同替换掉目标位置上的单个碱基。

刘如谦和同事们正在尝试用他们的碱基编辑器治疗一种名叫儿童早衰症的疾病。该病由核纤层蛋白A基因突变导致,患病儿童会迅速衰老、最终死亡。这也是由于单个碱基变化引起的,但其产生的变异蛋白质会破坏体内几乎所有细胞。在这种情况下,仅仅破坏突变的核纤层蛋白A基因是不够的,因为其产物不受控,仍可造成致命后果。因此必须对出错的碱基进行精准纠正才行。

刘如谦的团队已经在经过基因修改、携有人类核纤层蛋白A突变基因的小鼠身上尝试过了这种疗法。受试小鼠年龄为14天,约相当于人类的五岁。结果发现,这些小鼠成功活到了正常小鼠开始步入“老年”的年纪,远远超出了之前的治疗水平。

刘如谦表示:“就在五年之前,‘运用经过编辑的分子机器、一次性纠正动物体内引发致命遗传病的单个碱基对’的设想似乎还像科幻小说般异想天开。”他的团队目前正在与马萨诸塞州剑桥市的BeamTherapeutics公司及Verve公司合作,研发在人类身上开展临床应用所需的基因编辑工具。Verve公司也在运用碱基编辑器开展针对粥样动脉硬化的研究。

尽管莫西认为,Crispr疗法还需至少五到十年才能广泛投入临床应用,但杜德纳表示,“Crispr基因组编辑技术被全世界研究者接纳的速度快得惊人”。她指出,临床试验一般都会花上很长时间,因此“如今已有镰刀型细胞贫血症患者得到治愈,这一点着实令人在吃惊之余感到喜出望外”。

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