为何 CRISPR 是“基因编辑”的关键技术?

基因疗法

以工程手法处理人类基因之路,源于 1972 年史丹佛大学教授保罗.伯格。他发现了一种方法,可以取出猴子身上所发现的一种病毒的一点 DNA,与另一种完全不同病毒的 DNA 剪接在一起。他就这样制造出了他命名为“重组 DNA”的东西。接着赫伯.博耶与史丹利.柯汉找到了可以让这些人造基因更有效的方式,复制出上百上千万的复制品。就这样,基因工程的科学以及生物科技的商业开始启动。

科学家又花了 15 年,才开始把工程手法处理过的基因送到人体细胞内,目标与制造药物的目的相似。由于没有试图变更患者的 DNA,所以不是基因编辑。这种基因疗法将一些基因工程 DNA 送入患者细胞内,修正致病的基因。

基因疗法的初次实验发生在 1990 年,对象是一名 4 岁的小女孩,她因为基因突变而导致免疫系统失效,一直活在感染威胁中。医生找到一种方法,把缺失基因的有效副本移入小女孩血液系统中的 T 细胞内。作法是从她体内取出 T 细胞,放入缺失的基因,再将 T 细胞重新移回她体内。这个作法为她的免疫系统带来了戏剧化的改善,也让她能过健康的生活。

基因疗法领域一开始的成功并不显著,而且很快就出现挫败。 1999 年一名年轻人因为输入治疗基因的病毒载体引起剧烈免疫反应而死亡,造成费城一项临床实验停摆。 2000 年代初,一项为了免疫不全疾病所执行的基因治疗过程,意外活化致癌基因,让 5 名患者罹患了白血病。类似这样的悲剧,让大多数的基因疗法临床实验至少冻结了 10 年,然而基因疗法的逐渐进步,还是为更具野心的基因编辑领域打下了底子。

基因编辑

除了透过基因疗法治疗基因问题,研究人员开始设法从源头解决问题,目标是针对患者体内相关细胞的 DNA 瑕疵序列进行编辑。称为基因编辑的努力就此诞生。

哈佛教授杰克.索斯达克,同时也是道纳的论文指导教授,在 1980 年代发现了编辑基因其中一个关键:必须让 DNA 双螺旋的两股都断裂,即双股断裂。当 DNA 的双股断裂时,任何一股都无法再成为修复另一股键的模版。基因有两种自我修复的方式。

第一种方式被称为“非同源性末端接合”(英文名称 nonhomologous end-joining 中的“Homologous”源于希腊字,意思是“匹配”。)在这样的例子中,只要简单地把两端接起来,不需要找一条相配的序列,就完成 DNA 修复。这种修复方式相当马虎,可能造成遗传物质不必要的插入与删除。

另一种较为精准的过程被称为“同源基因引导修复”(homology-directed repair),是被切断的 DNA 在附近找到一个合适的取代模版时的状况。当双股断裂出现时,细胞通常都会复制并插入可以取得的同源性序列。

基因编辑的发明需要两个步骤。第一,研究人员必须找到可以在 DNA 内裁切出双股断裂的正确酵素。第二,他们必须找到一个向导,带领酵素抵达他们想要在细胞 DNA 内进行裁切的精准目的地。

有能力裁切 DNA 或 RNA 的酵素称做核酸酶。为了建立基因编辑系统,研究人员需要一个可以遵守指令,裁切选定的任何序列目标的核酸酶。到了 2000 年,他们找到了一种可以做到这一点的工具。

在某些土壤与池塘细菌体内发现的 FokI 酵素有两个区域,一个区域可以充当裁切 DNA 的剪刀,另一个区域则是可以成为剪刀的向导,告诉剪刀该往哪里去。这两个区域可以分离,其中第一项区域也可以透过重新设定,去任何研究人员想要它去的地方。

研究人员能够设计出担任向导的蛋白质,引导裁切区域到目标 DNA 序列之处。锌指核酸酶(ZFNs)是一种系统,将裁切区域与一种蛋白质融合在一起,而这种蛋白质有一根根因为锌离子存在而凸起的小小指头,可以抓住特定的 DNA 序列。另一种类似但甚至更靠得住的方法被称为 TALENs(类转录活化因子核酸酶),是指将裁切区域与可以引导这个区域到较长 DNA 序列处的一种蛋白质融合的做法。

就在 TALENs 方式日趋完善时,CRISPR 也随之而来。两者有点相似,都有裁切的酵素,亦即 Cas9,也都有一个带领酵素去裁切 DNA 股键目标位置的引导者。但在 CRISPR 系统中,引导者不是一个蛋白质,而是一小段 RNA。这个变化有个很大的优点。不论是 ZFNs 还是 TALENs,每次想要裁切一个不同的基因序列时,都必须建造一个新的蛋白质引导者,而这个过程既困难又费时。但利用 CRISPR 时,你只需要摆弄 RNA 引导的基因序列就好了。一个好学生在实验室里就可以快速完成这项工作。

有一个可大可小的问题,这问题是大还是小,取决于你在后来的专利战争中所抱持的观点与立场。 CRISPR 系统在细菌与古菌等没有细胞核的单细胞生物作用。于是问题来了:这个系统在有核细胞,特别是如植物、动物、你和我这类多细胞生物,是否也有效?

因此,道纳—夏彭蒂耶 2012 年 6 月的论文,在世界各地的许多实验室掀起一场疯狂的冲刺,竞相试着证明 CRISPR-Cas9 可以作用在人类细胞上,包括道纳自己的实验室。大概 6 个月内就有 5 个地方提出了胜利的证明。这种在相当短的时间内就成功提出结果的情况,如果像道纳与她同僚后来所声称的内容,其实就只是简单又清楚地证明,CRISPR-Cas9 可以在人体细胞内运作,并不是一个独立的发明。但是这种情况也可以成为道纳的对手所坚持的说法,这是一场激烈竞争后的一个重大发明。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/shengwu/2827.html