基因技術(shù)突破在即——讓每個(gè)人都健康長(zhǎng)壽將不再是夢(mèng)想
原創(chuàng):
人類(lèi)的發(fā)展歷史可以說(shuō)是一部伴隨著對(duì)自身健康和長(zhǎng)壽的極致追求的歷史,,也是人類(lèi)演化的永恒課題,!這篇文章會(huì)帶你走進(jìn)人類(lèi)長(zhǎng)壽的新希望——基因編輯技術(shù)的世界!
先讓我們一起來(lái)了解一下什么是基因編輯技術(shù)——CRISPR/Cas9吧,!
我們身體對(duì)入侵自己身體的病毒會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng),,比如去年還肆虐全球的新冠病毒,和最近流行的甲流,,人體的免疫系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出發(fā)燒,、咳嗽等癥狀。有些病毒本身也可以感染細(xì)菌,,它們被稱(chēng)為噬菌體(bacteriophage),。他們與人類(lèi)的免疫系統(tǒng)有很大不同,但細(xì)菌也有一個(gè)防御系統(tǒng),,保護(hù)它們免受感染,,這個(gè)系統(tǒng)就是CRISPR/Cas9。
如噬菌體感染細(xì)菌時(shí),,噬菌體會(huì)將自身的DNA注入進(jìn)細(xì)菌,。細(xì)菌識(shí)別到這些入侵的DNA,并在CRISPR/Cas9(如人體的免疫系統(tǒng))的幫助下將入侵噬菌體的DNA切成碎片,,讓它的DNA失去復(fù)制功能,,從而阻止感染。同時(shí)細(xì)菌會(huì)保留一些入侵DNA碎片,,當(dāng)下一次帶有類(lèi)似DNA片段的噬菌體再入侵時(shí),,細(xì)菌就能迅速識(shí)別并更快地作出反應(yīng),這些與人體的免疫系統(tǒng)完全一致,。
細(xì)菌的CRISPR的全稱(chēng)是“規(guī)律間隔成簇的短回文重復(fù)序列”(Clustered Regularly Interspaced Short PalindromicRepeats),。由于是翻譯過(guò)來(lái)的原因,這個(gè)名字很不容易記,,希望我們國(guó)內(nèi)的該領(lǐng)域?qū)<覀兗影延?,有一天也讓老外去翻譯我們的中文,。
就像絕大多數(shù)生物一樣,細(xì)菌也使用DNA作為自己的遺傳物質(zhì),。引用下我們初中生物課方老師講的知識(shí),,DNA由四種不同的核苷酸構(gòu)成,用英文字母表示就是A(腺嘌呤),、G(鳥(niǎo)嘌呤),、C(胞嘧啶)和T(胸腺嘧啶)。這些字母的排列決定了生物體的遺傳信息和大多數(shù)性狀,,就像是生命的“源代碼”,。有些排列方式則可以構(gòu)成回文序列,就像“寧波湯圓出自寧波”這樣,,DNA的回文序列就像是“TAGCGAT”這樣,,好了,到這里我們基本了解了“回文”這個(gè)概念了,。
而CRISPR的序列都是較短的回文序列組成的,。這些回文序列會(huì)在一些臨近的區(qū)域重復(fù)多次出現(xiàn),因此稱(chēng)為“成簇”和“重復(fù)”,。然而,,這些序列之間還有一些其它序列將其隔開(kāi),這些其它序列被稱(chēng)為“間隔”,。合并起來(lái),,CRISPR就叫作“規(guī)律間隔成簇的短回文重復(fù)序列”,通俗點(diǎn)講就是:有規(guī)律的帶有間隔的回文序列(個(gè)人理解獨(dú)創(chuàng),,各位也可以獨(dú)創(chuàng)一個(gè)容易讀記的),。而Cas9是CRISPR系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的一種蛋白質(zhì)。
CRISPR/Cas9有什么用,,CRISPR是如何幫助科研人員編輯DNA的呢,?實(shí)際上,這是一項(xiàng)非常重要的科學(xué)突破,,2020年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就頒發(fā)給了改造這套系統(tǒng)的兩位科學(xué)家:Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna(見(jiàn)下圖)
如前所說(shuō),,組成DNA的核苷酸的不同排列方式?jīng)Q定了生物體不同的表現(xiàn)性狀。不同的性狀是由不同的基因決定的,,基因就是一小段“有用”的DNA,。比如說(shuō),如果我們知道一個(gè)基因控制著狗狗毛發(fā)的顏色,,那么改變這個(gè)基因中核苷酸的具體排列方式,,對(duì)應(yīng)的毛發(fā)的顏色就會(huì)發(fā)生變化(見(jiàn)下圖)。
要理解CRISPR/Cas9編輯基因的原理,首先需要了解這個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分,。
首先要知道編輯的基因是什么,,以及他們想要實(shí)現(xiàn)的功能如何。這項(xiàng)工作可以通過(guò)生物信息學(xué)手段來(lái)開(kāi)展,。在知道基因序列后,,實(shí)驗(yàn)人員就需要設(shè)計(jì)一段引導(dǎo)RNA(guide RNA,gRNA),,并使用Cas9這種特殊的蛋白質(zhì)。Cas9就像是一把分子剪刀,,它能剪開(kāi)DNA,,但是需要gRNA來(lái)定位。gRNA是根據(jù)目標(biāo)基因來(lái)設(shè)計(jì)的一段特殊的核酸序列,,它能夠和要編輯的基因序列互補(bǔ)結(jié)合,,從而給Cas9提供“GPS坐標(biāo)”,讓Cas9到達(dá)正確的位置(下圖A),。gRNA包含了一個(gè)稱(chēng)作PAM的位點(diǎn),,這就是給Cas9的“信號(hào)”,讓Cas9能找到gRNA并在指定的位置切割DNA(下圖B),。
切割完成后還需要一段修復(fù)模板(repair template),,這是一段包含新序列的DNA,它能夠結(jié)合到剪開(kāi)的位置,,并在其它蛋白的幫助下,,在原基因的位置生成新的序列(上圖C)。這樣,,實(shí)驗(yàn)人員就可以復(fù)制,、粘貼、添加或刪除DNA序列的部分內(nèi)容,,就像在word文檔中編輯句子一樣,!比如,假如研究人員想要在一個(gè)基因中插入ATGCTA這個(gè)序列,,那么修復(fù)模板將包含ATGCTA,,并在其兩端添加與原始基因相匹配的DNA,從而告訴修復(fù)模板該去哪兒,。這樣,,在DNA修復(fù)完成后,新的序列就會(huì)粘貼到DNA上的目標(biāo)位置(上圖D),,從而得到編輯完成的基因,。
那么,有了CRISPR/Cas9基因編輯工具,它能用來(lái)做什么呢,?
我們?nèi)祟?lèi)有些遺傳疾病是由于DNA的錯(cuò)誤所引起的,,它們可以一代一代地傳遞下去,即通常我們說(shuō)的遺傳病,??茖W(xué)家和醫(yī)生們正合作使用CRISPR/Cas9來(lái)嘗試治療由于DNA錯(cuò)誤所引起的這些疾病,這種療法被稱(chēng)為基因療法(gene therapy),?;虔煼ㄊ且粋€(gè)嶄新的醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域,目前還沒(méi)有在人體上完全測(cè)試過(guò),。不過(guò),,如果CRISPR/Cas9基因療法能夠體現(xiàn)出對(duì)人體的安全性,那么它或許將成為一種極有價(jià)值的方法,,從而治療并治愈遺傳病人,。
另一方面,一些商業(yè)公司也嘗試使用基因編輯技術(shù)來(lái)創(chuàng)造新的產(chǎn)品,。比如,,一些研究者正嘗試改變番茄的DNA,使其能產(chǎn)生辣椒素(capsaicin),,讓番茄體現(xiàn)出甜辣的味道,。辣椒醬的口感將變得更加豐富!其他科學(xué)家也在使用CRISPR/Cas9來(lái)開(kāi)發(fā)新的玉米品種,,從而讓它們?cè)跉夂蚋珊?、熱浪侵襲的條件下也能正常生長(zhǎng),這或許有助于解決全球糧食危機(jī),。
我們最感興趣的是,,是否可以使用CRISPR/Cas9來(lái)使已滅絕的動(dòng)物復(fù)生?想象一下,,如果能看到活生生的猛犸象或恐龍四處走動(dòng),,侏羅紀(jì)的各類(lèi)大型生物重現(xiàn)在我們眼前,就如影片侏羅紀(jì)公園里展現(xiàn)的那樣,,那該有多酷?。?/p>
盡管CRISPR/Cas9的應(yīng)用前景令人遐想,,但科學(xué)家群體正呼吁著國(guó)際社會(huì)立法規(guī)范這一技術(shù)的應(yīng)用,。任何技術(shù)的使用都應(yīng)以安全和倫理作為前提??蒲袀惱硎且?guī)范科學(xué)家行為的道德準(zhǔn)則,,它約束著科學(xué)成果必須保護(hù)公眾的健康和安全,確保每一項(xiàng)研究都合乎人權(quán)、動(dòng)物福利和法律規(guī)章,,從而防止擁有先進(jìn)技術(shù)的科學(xué)家傷害到人,、動(dòng)物或是環(huán)境。由于CRISPR/Cas9簡(jiǎn)單易行,、成本低廉,,幾乎很難控制這項(xiàng)技術(shù)的使用者和使用目的。就如前幾年很火的事件,,南方科技大學(xué)副教授賀建奎宣布一對(duì)名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒于11月在中國(guó)健康誕生,,由于這對(duì)雙胞胎的一個(gè)基因(CCR5)經(jīng)過(guò)修改,她們出生后即能天然抵抗艾滋病病毒HIV,。這一消息迅速激起軒然大波,,震動(dòng)了世界。
目前的CRISPR/Cas9還不能做到非常精準(zhǔn)的基因編輯,。CRISPR/Cas9可能會(huì)結(jié)合到錯(cuò)誤的位置,從而編輯了其它的基因,,并帶來(lái)一系列后果,,這被稱(chēng)為脫靶效應(yīng)。這樣的話在實(shí)行基因編輯時(shí)候就會(huì)很大不可控的風(fēng)險(xiǎn),!
科學(xué)研究必須考慮潛在的危害,,特別是當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)被不負(fù)責(zé)任地濫用時(shí),其帶來(lái)的后果對(duì)于被編輯的個(gè)體而言可能是毀滅性的,。比如,,飽受質(zhì)疑的造成這次全球大流行的新冠病毒是否出自基因編輯技術(shù)呢?出于這個(gè)原因,,世界衛(wèi)生組織和其它機(jī)構(gòu)正緊密地監(jiān)控,、審查人類(lèi)基因編輯的研究項(xiàng)目,確保這些研究都遵守恰當(dāng)?shù)囊?guī)范,。
如果我們?nèi)祟?lèi)以理性的方式使用CRISPR/Cas9等基因新技術(shù),,它肯定能帶來(lái)很多好處,比如我們可以用它來(lái)改良我們?nèi)梭w內(nèi)影響健康壽命的基因,,這樣我們是否可以更快的實(shí)現(xiàn)健康長(zhǎng)壽的目標(biāo)呢,?但有時(shí),基因新技術(shù)的高速發(fā)展,,以至于讓科學(xué)家和政策制定者都沒(méi)來(lái)得及反應(yīng),。因此,生物科學(xué)家們?cè)谂Ω纳迫祟?lèi)健康的同時(shí),,必須始終思考自己所做事情的風(fēng)險(xiǎn),,我們?cè)趪L試使用任何新基因技術(shù)的同時(shí)必須時(shí)刻有人類(lèi)命運(yùn)共同體理念,保證我們賴(lài)以生存的空間足夠安全!
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