基因编辑器:编出新生命

2014-3-26 14:53 来源: 温州晚报
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        细菌也有敌人,其最大的敌人之一是噬菌体,因为后者可以进攻和吞食细菌。面对攻击,细菌最有效的还击是,“祭”出一种武器CRISPR,以保护自身。CRISPR有些拗口,称为规律成簇间隔短回文重复,实际上就是一种基因编辑器(又称为CRISPR-Cas9系统),是细菌用以保护自身对抗病毒的一个系统,也就是一种对付攻击者的基因武器。

  初识基因编辑器

  1987 年,一个科学研究小组发现,在一个细菌基因的一端有一个奇怪的重复序列,一个DNA序列紧跟着几乎完全相同但以相反方向构造的序列。这一现象当时并未引起太多人的注意。过了10年,破译微生物基因组的生物学家就经常发现这类令人费解的DNA重复模式,因为这种重复模式出现在超过40%的细菌和90%的古生菌中。这种DNA的重复序列就是基因编辑器CRISPR。

  到了2005年,有三个研究小组发现,基因编辑器CRISPR可能与微生物的免疫作用有关。其中一个研究小组是马里兰州贝塞斯达市美国国家生物技术信息中心的尤金•库宁和其同事。他们发现,基因编辑器能够整合入侵的噬菌体(一种病毒)的少量基因,从而可以参考入侵者的基因来识别和攻击入侵者,就像疫苗一样发挥作用。

  具体作用是,细菌和古生菌占据入侵的噬菌体的部分DNA,然后将其作为核糖核酸(RNA)分子(能阻止外来DNA的匹配)的一个模板保存起来,就像真核细胞利用一个被称作核糖核酸干扰(RNAi)的系统来摧毁RNA一样。简单地说,基因编辑器能模仿入侵者的基因以干扰入侵者的基因编码,从而抗击入侵者。

  2007 年,总部位于丹麦哥本哈根的食品添加剂公司——丹尼斯克公司(后被杜邦公司收购)的鲁道夫•巴兰格等人在研究中证明,他们通过添加或删除和噬菌体DNA相匹配的间隔区DNA,改变了嗜热链球菌对噬菌体攻击的抵抗力。也就是说,通过基因编辑器可以增强细菌防御噬菌体的能力。细菌借助基因编辑器而使自己具备一种有高度适应性的免疫系统,使得它们能击退来自某种噬菌体的多次进攻。

  当然,基因编辑器更为现实的作用是,杜邦公司能够为食品生产培育更强壮的菌株。因为乳品业通常依靠细菌(诸如嗜热链球菌)生产酸奶和乳酪,嗜热链球菌能将牛奶中的乳糖分解为有刺激性的乳酸。但是,噬菌体能攻击嗜热链球菌,从而让后者不能发挥作用,使得制造的酸奶或其他食物的质量或数量遭受严重损害。

  到了2013年,研究人员对基因编辑器有了更多的了解,他们发现,基因编辑器似乎是一种精确的万能基因武器,可以用来删除、添加、激活或抑制其他生物体的目标基因,这些目标基因包括人、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和农作物细胞内的基因,这也意味着基因编辑器是一种可以广泛使用的生物技术。

  新生命的诞生

  利用基因编辑器,研究人员可以更为迅速地改变或删除细胞中的多个基因,从而可以治疗一些遗传性疾病,例如亨廷顿氏病,甚至可以治疗艾滋病等现在无法治愈的疾病。当然,这一技术还以用于纠正体外受精胚胎的基因缺陷,如此,将可以创造新的健康生命,甚至创造“超人”。

  现在,中国研究人员利用基因编辑器走在了创造新生命的前列。南京医科大学生殖医学国家重点实验室、云南省灵长类生物医药研究重点实验室和南京大学的研究团队利用基因编辑器,首次在全球创造和孕育了两只靶向基因编辑猴。创造靶向基因编辑猴的目的是建立猴子疾病模型。由于人与猴有较大的相似性,因此可以用这样的猴子来模拟人类,试验药物和治疗遗传病,从而降低药物研究和以人做试验的风险。

  基因编辑器CRISPR可以对目标基因进行插入、删除或重写,类似编辑对文字进行编辑、删改和插入一样,是一种对物种基因进行编辑加工的过程,由此不仅可以改变基因的功能,而且能创造新的生命。

  研究人员先是给猴胚胎细胞注射定制的核糖核酸(RNA),然后把基因编辑器中的一种编辑工具DNA切割酶Cas9引导至期望的基因突变位点,修改了3个基因。这三个基因分别是,调节代谢的基因Ppar-γ、调节免疫功能的基因Rag1和调节干细胞和性别决定的基因。研究人员在180多个单细胞期猴胚胎中同时靶向编辑了这3个基因,然后对15个胚胎的基因组进行测序,结果发现其中有8个胚胎显示出两个靶基因同时突变的证据。这两个基因就是调节代谢的基因 Ppar-γ和调节免疫功能的基因Rag1。

  此后,研究人员将这种经过遗传修饰的胚胎转移到代孕母猴体内,其中一只母猴分娩出了一对孪生猴。对这对孪生猴的基因组进行检测后发现,它们的DNA中确实存在两个突变的靶基因。也因此把这两只猴称为靶向基因编辑猴。

  当然,现在这两只猴子还处于幼年期,尚无法验证是否经过编辑的靶基因会产生作用,即是否会在猴子的代谢和免疫功能方面出现变化,而检验这些功能需要等到3年后猴子成年时才能观察到。

  另一方面,人和动物的一些生理功能和病理表现并非只是一两个基因就能决定的,所以,在未来评估这种靶向基因编辑猴时,还要评估和观察其他基因是否有作用,而且要检测是否靶向基因编辑猴的所有细胞中都有这种经过编辑加工过的基因,如此才能完整地评价这种猴子的价值。

  但不管怎样,靶向基因编辑猴的诞生也提供了改变和修饰基因以治疗疾病的一个新的方向。

  前景广阔

  其实,基因编辑器的原理比较明确,就是找到目标基因并干扰这种基因的表达,或让这种基因处于沉默状态,不能表达。

  在基因干扰的研究上,研究人员早就有类似的发现。1990年,一个研究小组给矮牵牛花转入一种催生红色素的基因,希望这种转基因矮牵牛花变成鲜红色。但是,事与愿违,矮牵牛花不仅没变成鲜红色,反而完全褪色,花瓣变成了白色。这是为什么呢?

  1998 年美国科学家安德鲁•法尔和克雷格•梅洛揭开了其中的奥秘,原来是RNA(核糖核酸)干扰造成的。RNA过去被视为从DNA转录遗传信息的“二传手”,蛋白质是根据RNA转录的信息来生产的,所以RNA只是一个信使。但是,法尔和梅洛发现,RNA在转达信息时,有时是忠实传递信息,但有时会打折扣,从而使特定基因开启、关闭、更活跃或更不活跃,最终影响到生物的体型、外表、颜色和发育等。正是由于产生了RNA干扰,转入矮牵牛花的红色素基因沉默下来,不能表达,矮牵牛花就不会变成红色。为此,法尔和梅洛共同获得2006年的诺贝尔生理学或医学奖。

  利用RNA干扰可以让一些致病基因沉默,以治疗疾病,例如,RNA干扰可治愈实验鼠的肝炎。但是,RNA干扰是通过阻断信使RNA(mRNA)来阻止蛋白质生成,这时DNA的信息已经转录到RNA中了,这如同马已离厩,要进行特定的干扰,已经太晚。

  但是,基因编辑器所进行的干扰则是在DNA的信息还未转录到RNA之时,也就是说是在马还未离厩时对目标马匹(目标基因)的干扰。

  更有意义的是,基因编辑器也需要RNA协同作用,因为RNA可以为编辑器中的切割酶Cas9导向(所以基因编辑器又称为CRISPR-Cas9系统),引导其在特异位点裂解完整基因组,这个特异位点就是目标基因的位点,从而修改、修复目标基因序列,或插入新的基因片段,以干扰目标基因。

  2013 年3月,美国麻萨诸塞州总医院的研究人员就利用基因编辑器创造出了变异的斑马鱼。不仅如此,基因编辑器还有可能让作物生产更多更好的粮食产品。例如,中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞研究团队利用基因编辑器剔除了小麦中的致病基因,使小麦获得了抗白粉病的抗性,为小麦的增产奠定了基础。高彩霞研究团队还利用基因编辑器让水稻中的4种基因保持沉默而失去功能,这也意味着基因编辑器可以用于改良中国人最重要的食粮——大米,让其变得更有营养或更高产。