基因真的也能被剪輯嗎？
基因的發現
基因的發現堪稱人類歷史上最偉大的里程碑，與到達南極點或者攀登珠穆朗瑪峰比起來，它不僅更困難，而且耗時更長。通過前後三代學者的接力，才揭開了遺傳的神秘面紗。
第一位踏上征途的是孟德爾。1856年，孟德爾已經完成了在維也納大學的學業，順利當上了神父。對於一個寒門子弟來說，這也算是人生巔峰了。不過，孟德爾沒有滿足於傳經、佈道、教授書本上現成的東西。他對遺傳顯然有些「離經叛道」的想法，並打算通過實驗去驗證它們。經過一番思索，孟德爾選擇了豌豆。他首先對豌豆的性狀進行分類，如高莖還是矮莖、黃色葉還是綠色葉、種子是飽滿的還是褶皺的。接著，他進行了長達8年的豌豆雜交實驗。高莖豌豆和矮莖豌豆雜交，有很大概率生出高莖豌豆；在這些高莖豌豆之間進行雜交，產生的高莖後代和矮莖後代之比是3:1。這說明，父親或者母親的性狀會影響到孩子，而且它們的影響是均等的。
豌豆雜交
到了1928年，英國細菌學家格里菲斯進行了肺炎雙球菌轉化實驗。肺炎雙球菌有兩種，一種有莢膜（為方便描述，以下簡稱為S型），對生物的免疫系統有較強的抵抗力；另一種沒有莢膜（為方便描述，以下簡稱為R型），即使進入生物體內，也會被免疫系統消滅，幾乎不產生癥狀。格里菲斯發現，將R型肺炎雙球菌和高溫殺死的S型肺炎雙球菌注入到小鼠體內，小鼠會因為細菌感染而很快死亡。由此可見，S型肺炎雙球菌體內的某些物質使原本無害的R型肺炎雙球菌得到了生成莢膜、逃避免疫系統、感染小鼠的能力。換句話說，決定生物性狀的並不是某個細胞，而是細胞內的某些物質。
在格里菲斯實驗的基礎上，艾弗里完成了探索基因科學之路中最耀眼的一擊。他將S型肺炎雙球菌分解，得到了蛋白質、類脂、多糖、RNA、DNA等多種物質，在對這些物質進行純化之後，一一進行小鼠感染實驗。結果顯示，只有S型肺炎雙球菌的NDA可以感染小鼠[1]。
不朽的雙螺旋
如今，我們知道，NDA是生物生長、發育、新陳代謝和一切性狀的決定力量。那麼，這種力量是如何發揮作用的呢？為了方便描述，我們不妨把DNA想像成鉛字。大家應該聽說過活字印刷術，如果想印刷本文，那麼，首先要準備相關的鉛字，然後將它們按照正確的順序整齊排列，接著，在鉛字上塗抹一層油墨，蓋上白紙，用滾筒輕輕擠壓，文字就被轉移到紙張上。
基因的雙螺旋結構
DNA這種「鉛字」有些特殊。第一，它只有四種「文字」，即人體內的DNA由四種核苷酸組成，一般標記為A、G、C、T，三個核苷酸可以編碼一個氨基酸；第二，在正常情況下，DNA是雙鏈螺旋結構，這條鏈上的A只和對面鏈上的T結合，G只和C結合。在某些時候，比如人體內蛋白質合成或者在實驗室中加以合適的溫度，兩條DNA鏈會彼此分開。信使RNA就像油墨，可以精準地將DNA上的A、G、C、T複製下來；轉運RNA好比滾筒，它能識別「三個核苷酸——一個氨基酸」編碼，並將氨基酸組裝成蛋白質。
細胞中的DNA
蛋白質，可以說是人體內最重要的物質。生長發育離不開它，心臟跳動離不開它，人體的每一個新陳代謝過程中的每一次調節都離不開它。DNA就這樣通過蛋白質控制著生物。
最早的剪刀手
既然DNA是一切事件的幕後黑手，那麼，通過調節患者的DNA，不就能治病了嗎？這種想法是好的，但是實際操作起來很困難。首先是倫理問題。這個不是重點，我們略過不提。其次是沒有工具。
DNA作為人體的遺傳物質，其結構十分複雜，具有一定的穩定性，其功能涉及人體的方方面面，十分龐雜，加之體積非常小，所以要想剪輯DNA，必須找到一把特殊的剪刀。這把剪刀既要準確，順著科研人員的心意，只對DNA做最必要的改動，又要普適，可以按照科研人員的計劃進行調整，完成各種各樣的剪輯任務。
基因剪輯示意
最早的基因修飾技術，是通過探針，將外源性基因直接注入到胚胎內，讓其自行結合；結合得多了，總有運氣眷顧「碰巧對了」的時候。把這些胚胎選出來，通過近親繁殖，進一步純化實驗動植物，直到得到想要的樣本為止。這就好比說，我想把本文印刷下來，在印刷之後發現，其中某幾個字打錯了。正常人會挑出這幾個字後替換掉，但是印刷工不識字。於是他把那幾個正確的鉛字丟進鉛字盤裡，然後不停地搖晃，只要有足夠的耐心，總有恰好對的時候。但是這樣的做法，不僅效率極低（在植物研究中，通常只有10-6～10-5)，而且僅對某些生物（如酵母菌）有用，根本不可能大規模展開。
基因修飾示意
到了上世紀八九十年代，類轉錄激活因子效應物（Transcription activator-like effector，TALE）被發現，在此基礎上，建立了新一代的基因修飾技術。類轉錄激活因子效應物，這個名字有點嚇人，不過理解起來，並不困難。前邊說過，鹼基的排列有特定順序。科研工作者們發現在很多細菌中存在這樣一種物質，它們可以特異性識別某些鹼基排列。
活字印刷術
還是以活字印刷術為例。老闆覺得，印刷工居然是文盲，實在不像話，於是把他開除了，重新找了一個。新來的印刷工的文化水平也不高，但是好歹認識「摘要」、「報道」這倆詞。如此一來，他起碼能夠找到文章第一段。假如印刷錯誤恰好出現在第一段，剪下這一長條之後，雖然還是要打散、插入、重組，但是工作量就大大減少了。但是這種技術的缺點也是顯而易見的，第一，它的識別度並不高；第二，很難對它進行修改，讓它適應各種情況[2]。
CRISPR/Cas9系統
1987年，日本科學家發現大腸桿菌體內存在一種特別的結構。一段段重複序列之間連著一小段間隔DNA，現在將它稱為「成簇的規律間隔短迴文序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats，CRISPR）」[3]。
人體內有一套主動免疫系統。當人體第一次接觸某種致病微生物時，免疫細胞會把它的特徵記錄下來，同時，合成抗體，這樣，下次再有同樣的微生物入侵時，人體就能準確識別，進而將它迅速消滅。
細菌常常使人患病，但細菌也有「生病」的時候，比如被病毒感染。病毒就是一個外殼加一小段遺傳物質（RNA)，藉助外殼上的結構，病毒可以吸附到細菌表面，然後鑽進去，釋放遺傳物質，運用細菌的成分，大肆複製，最終，細菌死亡，病毒被釋放出來，繼續感染其他的細菌。
tracrRNA/crRNA二元複合體指導Cas9蛋白（藍色圖標）尋找並切斷靶點雙鏈DNA
在長期的進化中，某些細菌為了對抗病毒，發展出了一套與人體主動免疫相似的系統，就是CRISPR。當病毒入侵的時候，CRISPR可以把病毒的遺傳物質（RNA)切一小段下來，保留到系統內，作為識別特徵；倘若病毒不知好歹，再次入侵，CRISPR就會和CAS酶聯手；後者就像抗體一樣，可以迅速破壞病毒的遺傳物質。
2012年，珍妮弗·道德納和埃瑪努埃勒·沙彭蒂耶意識到了這一系統的意義：因為細菌要提防的病毒很多，所以CRISPR/Cas系統可以精準地識別許多鹼基序列，稍作改造，就有可能以此建立一套精準、易於調整的基因修飾系統。隨後，她們將自己的發現發表到《科學（Science）》雜誌上，詳細介紹了CRISPR/Cas9的工作原理和製備過程。
珍妮弗·道德納（左）和埃瑪努埃勒·沙彭蒂耶（右）
CRISPR/Cas9系統的意義十分巨大。科學家早就知道DNA的組成、DNA的表達，缺少的只是一個順手的工具。所以，CRISPR/Cas9系統出現以後，相關領域迅速獲得突破，研究成果呈現井噴。比如2015年10月，楊璐菡及其團隊宣布，她們運用CRISPR/Cas9系統成功敲除了豬內源性逆轉錄病毒[4]；再比如2016年4月，有學者宣布藉助CRISPR/Cas9系統，在實驗室內成功移除了被艾滋病毒感染的細胞基因片段[5]。
韓春雨堅信他的基因編輯論文沒有問題
不過，CRISPR/Cas9系統通過編碼RNA的順序來達到調整剪刀的目，終究饒了一個彎。在《DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute》一文中，韓春雨宣布，他運用格氏嗜鹽鹼桿菌內的一種蛋白質——Argonaute，實現了DNA引導的基因組編輯[6]。這無疑更為直觀而簡便。所以，他的論文一經發布，就引起了巨大的關注。
基因修飾的意義
前面洋洋洒洒地說了這麼多，那麼，基因修飾究竟能做些什麼呢？第一個好處是顯而易見的，那就是為臨床醫生提供新的治療方案。筆者在之前的文章中介紹過器官移植。需要器官移植的病人多，而願意捐獻器官的人少。供需不平衡意味著很大一部分病人不僅要忍受疾病的折磨，還要經歷等待的絕望。有了基因剪刀，通過定向敲除內源性逆轉錄病毒，異種移植則成為可能。
第二，因為種種原因，我們很多時候要用動物模擬人體，進行病因探究、藥效研究等。有些疾病，比如敗血症，是很容易模擬的；有些則不然。你可能在生活中遇見過某個人，他只要一出汗，就有一身的魚腥味。這不是普通的狐臭，這是魚腥味綜合征。因為基因的關係，患者缺少代謝三甲胺的酶，三甲胺無法通過正常途徑排出體外，使得體液與氣息含有魚腥味，這時應該怎麼用動物模擬他的這種癥狀呢？
基因修飾
傳統上，是選擇特定的小鼠，進行同源重組，這種方法的成本高、耗時長、操作複雜。而有了成熟的基因修飾系統就不一樣了，可以直接對小鼠的胚胎細胞進行剪輯，一步到位[7]。也就是說，基因剪刀不僅是一種強大的工具，它還是製造工具的工具，將極大地減少了研究步驟，縮短研究周期。
第三個好處，最終將讓每一個人受益。之前，媒體曾經報道，安吉麗娜·朱莉自曝接受接受了雙乳切除手術，以降低患乳腺癌的風險。對於一個以性感聞名的女人來說，雙乳切除，自然是痛苦的。要是不切除，患上乳腺癌的風險則太大。兩害相較取其輕，應該說，這是一個很有勇氣的決定。實際上，具有遺傳傾向的疾病不僅是乳腺癌，還有血友病、魚腥味綜合征、白化症、苯丙酮尿症等，比得病更痛苦的是從生下來就有病。
基因測序
隨著基因技術的進步，未來的情況可能會發生改變。一方面，基因快速測序的成本不斷下降，越來越多的父母有條件為後代進行基因篩查；另一方面，2015年4月，中山大學的黃軍就教授成功運用CRISPR/Cas9系統編輯了人類胚胎，對能導致遺傳病β地中海貧血缺陷基因進行了改造[8]。
出於倫理上的考量，科研工作者們於目前還只能用實驗胚胎（無法存活、發育成人類個體）。不過，前途是光明的。有了基因工程，消除與治癒遺傳疾病，只是時間問題。
他們/她們在基因工程方面努力的結果必然會受益於全社會
總結
CRISPR/Cas9系統是近年來，基因工程領域的最大突破，而由於基因工程的重要意義，稱之為影響人類文明史的發現並不為過。尤其值得一提的是，CRISPR/Cas9系統是由兩位女科學家發現的，這對打破科研領域的性別偏見、鼓勵更多女性投身科學，有重要的意義。科研從來不是一小撮精英的事，只有鼓勵每一個人對科學的信仰，給每一個人充分接受教育的機會，科研領域才能得到新鮮的血液，最終，他們/她們努力的結果必然會讓全社會受益。
參考文獻
1. 高翼之. 奧斯瓦德· 西奧多· 艾弗里[J]. 遺傳, 2006, 28(2): 127-128.
2.. Shan Q, Gao C. 植物基因組編輯及衍生技術最新研究進展[J]. 遺傳, 2015, 37(10): 953-973.
3. 袁越，基因工程的新時代[J].三聯生活周刊，2015，820（2）：154-159.
4. Yang L, Güell M, Niu D, et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs)[J]. Science, 2015: aad1191.
5. 蝌蚪五線譜，科學家成功移除被艾滋病毒感染的細胞基因片段http://news.kedo.gov.cn/hotnews/photonews/835629.shtm，2016.4.5
6. Gao F, Shen X Z, Jiang F, et al. DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute[J]. Nature biotechnology, 2016.
7. 白敏, 李崎, 邵艷姣, 等. 利用 CRISPR/Cas9 技術構建定點突變小鼠品系[J]. 遺傳, 2015, 37(10): 1029-1035.
8. 吳曉麗. 2015 年生命科學熱點回眸[J]. 科技導報, 34(1): 23-35.
※世界飛天第一人——陶成道
※古人座駕也不凡 西方古代馬車有何機密？
※科幻微小說 剪紙
※科幻微小說 小雷音寺
※霾魔請別囂張，你的剋星終於來了！
TAG:蝌蚪五線譜 |
※告訴我們，真的還有比惡魔剪輯更可惡的事！
※被剪輯畫面：原來熱巴能成功解開繩索，竟是因為鹿晗在偷偷幫忙！
※剪輯師要失業了？未來你看的視頻或許都是機器人生成的……
※除了特朗普跟教皇被惡搞，這些神剪輯你們都看過嗎
※鄭爽冤！芒果台的神剪輯，居然把她和寧靜剪成了心機婊？
※惡意剪輯投票黑幕？顏值實力兼具的她在兩次選秀失利後還能成功出道嗎？
※你說它剪輯亂、太跳脫，我只能說你不會看
※伊能靜想要愛情，秦昊只想靜靜，是欠了剪輯師雞腿，還是事實如此
※都是剪輯惹的禍：伊能靜怒懟節目組誤導觀眾，實力護夫？
※鹿晗對熱巴其實是冷漠的，溫柔保護也只是剪輯，但對關曉彤卻是真關懷，這次有圖有真相
※請他上綜藝又把畫面都剪光，《極限挑戰》的剪輯也太不地道了吧？
※同樣抱著孩子美國警察打不還手罵不還口？別傻了，你看的是剪輯視頻，後續在這呢
※花少3，網友都是神剪輯，將賴雨濛剪成這樣，真的錯怪這個妹子了
※不吹不黑！這一期的極限挑戰有點無聊，或許是剪輯換人了吧？
※賴雨濛也是不容易，一直被陳柏霖懟，蹦極被剪輯成了一頭扎在船上
※變形計陳新穎不敢惹麗姐圈粉無數，張迪太作後期和剪輯都救不了他
※最幸福的剪輯，是與你的合影
※《極限挑戰》後期剪輯再惹爭議，網友：能不能用點心啊！
※《最強大腦》變成了《最強剪輯》？你們永遠剪不了真相！