中國科學家再次領先！率先將新一代基因編輯技術應用於人類胚胎

要論在 CRISPR 基因編輯技術研發上的絕對功勞，美國科學家們當之無愧，但在該技術的臨床試驗及應用上，中國則功不可沒，近年來，中國學者先後將 CRISPR 技術應用於人類胚胎編輯及人體臨床試驗，走在全球科研的前列。

而今隨著新一代 CRISPR 技術的發展，中國科學家再一次率先將單鹼基編輯技術應用於可發育的人類胚胎的遺傳疾病修復中。近日，上海科技大學與廣州醫科大學共同合作，以體外受精的遺傳缺陷胚胎作為研究對象，使用 CRISPR 單鹼基編輯技術，成功的對突變的 FBN1 基因進行修正，驗證了單鹼基基因編輯技術的安全性與高效性，研究的相關內容發表在 Molecular Therapy 雜誌上。

此次研究不僅是較先前人類胚胎基因編輯工作的一次顯著進步，也為未來對體外受精胚胎進行有效的遺傳信息編輯提供了希望。

值得注意的是，此次接受 CRISPR 治療的胚胎所患上的疾病——馬凡氏綜合征——正是一種罕見病。

論文的通訊作者、上海科技大學黃行許教授則對 DT 君表示，「罕見遺傳病的特點之一是多器官損傷，而且是器質性病變。現有的技術，包括在體的基因治療，都不能治癒，而且治療費用超過了絕大部分家庭的負擔。我們可以想像，罕見病對全社會也許影響不大，但對患者家庭，是巨大的負擔和壓力；對患者本人，則是全部的痛苦。開發罕見遺傳病的胚胎基因治療將一次性治癒病患，並阻斷遺傳病的傳播。從治療和經濟的角度，都是最好的選擇。」

不過，他也提到，胚胎的基因編輯影響深遠，因此科學家必須要嚴格遵循倫理和按照國際規則開展好研究工作。「我們的合作夥伴申請獲批了醫院倫理委員會的許可，開展了本研究。研究的初步結果是成功的。儘管如此，把胚胎基因治療應用到臨床，需要大量的實驗驗證可靠性。需要逐步的臨床前實驗和臨床實驗驗證，仍然有很長的路要走」，黃行許教授表示。

新一代CRISPR 技術治療並不值得羨慕的「天才病」

具體而言，本次研究由來自上海科技大學黃行許教授與廣州醫科大學附屬第三醫院的劉見橋教授共同領導。

圖丨上海科技大學黃行許教授（來源：上海科技大學官網）

黃行許教授可謂是我國在基因編輯領域的領軍人物，近年來，其團隊先後以大鼠、猴子、人類胚胎等為研究對象，使用 CRISPR/Cas9 系統對基因組進行編輯，構建各種基因工程細胞和動物疾病模型，獲得了令人矚目的研究成果，相關成果分別發表在著名學術期刊 Cell、Nature、Nature Methods 等上。

而劉見橋教授則曾成功將 CRISPR/Cas9 系統成功的應用於人類胚胎編輯。 2017 年，由劉見橋教授帶領團隊再一次完成了中國造的「世界首次」——將 CRISPR 初次應用於人類二倍體胚胎，在胚胎層面對攜帶遺傳突變基因的胚胎進行修復。

圖丨劉見橋教授（來源：廣州醫科大學附屬第三醫院）

在此次的研究成果中，研究者們通過體外受精技術，使用來自健康捐獻者的卵細胞與來自馬凡氏綜合征患者的精子，獲得了可發育的人類胚胎，並向其中注射新一代 CRISPR 基因編輯系統，即單鹼基編輯系統，使其可以將 FBN1 基因中突變的鹼基替換為正確鹼基。

具體而言，研究者使用 CRISPR/Cas9 系統在 HEK293T 細胞中構建了 FBN1 基因突變體 T7498C，進行了模擬實驗。根據已有的患者信息，T7498C 突變患者表現為漏斗胸、平足，這是典型的馬凡氏綜合征癥狀。

成功獲得馬凡氏綜合征細胞模型後，研究者們使用適合的單鹼基編輯系統 BE3 對其進行突變鹼基修正，並使用 PCR 及測序技術驗證實驗結果，結果顯示，20 個單克隆細胞系中，有 10 個被成功編輯，效率為 50%。

預實驗的成功證明了 BE3 單鹼基編輯系統在人類細胞中具有一定的可行性，但編輯人類胚胎才是他們的最終目的。

基於這一想法，研究者們通過體外受精技術，使用來自健康捐獻者的卵細胞與來自馬凡氏綜合征患者（T7498C）的精子，獲得了可發育的人類胚胎，並向其中注射新一代 CRISPR 基因編輯系統，即單鹼基編輯系統 BE3，使其可以將 FBN1 基因中突變的鹼基 G 替換為正確鹼基 A 。隨後，研究者將進行過基因編輯的人類胚胎繼續培養兩天，以觀察檢測編輯效率。

高通量深度測序結果顯示，經歷過「升級版」CRISPR 單鹼基基因編輯後，18 個胚胎中有 16 個只攜帶有正常的 FBN1 基因（修正率約為 89%），而另 2 個胚胎髮生了預料之外的基因編輯。而相較去年使用「基礎款」CRISPR 的表現（58 個胚胎中有 42 個得到了修正，修正率約為 72%），如今的「升級版」表現的更勝一籌。

在此次研究中，就技術改進方面，研究團隊更多是「做了簡單的密碼子優化以適於哺乳動物，並利用 mRNA 而不是 DNA 的方式以減少毒性。效果好主要是認真選擇適合的靶點，並利用體外的細胞實驗進行了仔細的上靶和脫靶等的全面評估。」黃行許教授說。

此次用新一代 CRISPR 技術治療的馬凡氏綜合征（Marfan syndrome，MFS），就是一種由基因單鹼基突變引起的疾病，一旦患上，人生就是個大麻煩。

馬凡氏綜合征又稱蜘蛛指（趾）症、肢體細長症，是常染色體 FBN1（Fibrillin-1）基因單鹼基突變引起的顯性遺傳疾病，患者全身結締組織異常，表現為四肢、手指、腳趾細長不均勻，身高明顯高於常人，看似「天賦秉異、骨骼清奇」，患者卻無比痛苦。

圖 | 馬凡氏綜合征患者的手指通常比普通人長，且關節處表現異常 （來源：mayoclinic）

天賦是一場與上帝的交換遊戲，而交換的往往是壽命及健康，對於馬凡氏綜合征的患者來說，30 歲就意味著死亡的來臨。該疾病可同時影響骨骼、關節、眼、肺等多個器官，最大的生命威脅來自於血管病變，而每 5000 個人中，就有一名馬凡氏綜合征患者。

隨著近年來身高成為各種運動項目選拔衡量的重要標準，越來越多的馬凡氏綜合征患者由於突出的先天條件被選中，而也由於他們最終發病、早早地隕落使得該疾病得到越來越多的關注。

在新生兒中，如果有父母一方患病，胎兒患病的概率就高達 50%，如果能在胚胎階段就修正這種致病錯誤，就可以讓許多家庭體驗平凡的幸福。

（來源：labiotech）

天才和瘋子只有一線之間，有些疾病也這般殘酷。幸運的是，人類治療這些疾病的手段也愈發先進，那麼，如今的「升級版」與「基礎版」有什麼異同呢？

從基因「魔剪」到「橡皮擦」

編輯基因、改寫生命是人類一直以來的夢想，經過無數代研究者的努力，科學家們發現了包括鋅指核酸內切酶（ZFN）、類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）、CRISPR/Cas 系統這三種基因編輯手段，而由於 CRISPR/Cas 系統操作簡便，成本低廉，高效穩定，近年來在植物、動物實驗中被廣泛使用。

CRISPR/Cas 系統是一種存在於大多數細菌或古細菌中的一類後天獲得性免疫，當外源遺傳物質入侵時，CRISPR/Cas 系統首先會將入侵的噬菌體或外源質粒 DNA 信息整合到自身 CRISPR 序列中，當病毒再次入侵時，CRISPR/Cas 系統可對其進行識別並摧毀。

圖 |CRISPR 正在成為最熱門的基因編輯工具 （來源：Verdict）

利用這一原理，研究者們構建了由 Cas9 核酸內切酶和嚮導 RNA（sgRNA）兩個主要元件組成的「基礎款」CRISPR/Cas9 基因編輯系統。sgRNA，能夠識別靶 DNA 序列中保守的前間區序列鄰近基序（Protospacer Adjacent Motifs，PAM），通過與 Cas9 蛋白結合，引導 Cas9 核酸內切酶定點切割靶向 DNA。

但「基礎款」的缺點是一旦進行工作，就會徹底的「門戶大開」——DNA 雙鏈同時切斷，這就意味著額外插入和缺失基因的風險將大大增加，尤其是對於由單鹼基突變導致的疾病，基因「魔剪」似乎太大材小用了。

圖 |新一代 CRISPR 只需修改單個鹼基就能治療疾病 （來源：The Scientist）

為彌補這一缺點，來自哈佛大學的 David Liu （劉如謙）對 CRISPR 系統進行了「升級」，帶來了基因「橡皮擦」：在編輯過程中，新工具並非對序列進行剪切，而只針對單一鹼基，重構單鹼基原子結構，進而觸發細胞對其他 DNA 鏈進行修復，而不會造成 DNA 斷裂。

關於鹼基編輯器技術，黃行許教授對 DT 君說，「鹼基編輯器技術在第三代的基因編輯技術 CRISPR/Cas9 基礎上開發，相關論文於 2016 年發表。由於準確和高效實現單鹼基編輯，具備不造成 DNA 雙螺旋斷裂，脫靶可能性極低等優勢，鹼基編輯器技術被業界稱為第四代基因編輯技術。2017 年被 Nature 評為了年度突破性進展之一。」

「人造人」的未來

發展的技術為醫學的實踐提供了機會，但背後更多的動力，是來自人們觀念的鬆動，理念的認同。對人類胚胎的編輯一直是個敏感的社會話題，「人造人」帶來紅利的同時，背後更也有說不清的倫理、道德、社會問題，但是否應該因此將其束之高閣？

（來源：Kurzgesagt）

探索，是中國的選擇。自 2015 年來，中國的科學家們先後多次參與人類胚胎編輯項目，並取得領先的成果，但卻引發了一場全球性的激烈爭論。就在我國科學家發布全球首例胚胎編輯研究成果不久，由美國國家科學院召開的國際峰會上得出了通過基因編輯工具獲得遺傳信息編輯後代的行為是「不負責任的」、是缺乏社會共識的結論。

但僅僅兩年後的 2017 年，態度就開始緩和。一份來自美國國家科學院和國家醫學研究所的公告指出，未來基因編輯工具可被用於嚴重遺傳性疾病的臨床試驗中，但必須處於嚴格的監管下。

上個月，英國納菲爾德生物倫理學委員會（Nuffield Council on Bioethics）的專家表示，儘管目前不應修改法律允許編輯人類基因組，用以糾正後代的遺傳缺陷，但在未來的立法中不應排除這種可能性。一項美國皮尤研究中心（Pew Research Center）的調查顯示，72% 的美國人認為，將基因編輯技術用於未出生的嬰兒的遺傳信息編輯，從而使其避免嚴重的遺傳疾病可謂是物盡其用，恰到好處。

（來源：Marina Muun）

但似乎科學家們的眼光總能超出常人一步: 在普通人狐疑驚恐時，他們激進而充滿希望，在普通人興奮歡呼時，他們又顧慮重重。

「儘管目前關於鹼基編輯的相關研究論文已經有 50 余篇，但這個領域還很新，只有兩年，」劉如謙評價道，「我們仍舊需要更多的研究，來驗證由鹼基編輯帶來的可能後果。」

同樣持謹慎態度的還有本項研究的參與者黃行許教授。黃行許教授認為，胚胎基因編輯雖然值得期待，但仍需大量實驗驗證可靠性。

他對 DT 君說，「我們知道，目前已經鑒定出來的罕見遺傳病有10000多種，已經確定致病基因的7000多種，超過了人類疾病的10%。其中具備有效治療措施的只佔6%不到，是世界醫藥研究的最大難題之一。隨著測序技術和分子診斷技術的發展，越來越多的遺傳病會被鑒定出來。」

而對團隊下一步的研究計劃，黃行許教授對 DT 君說，「我們正在繼續完善馬凡氏綜合征的胚胎基因治療實驗研究。下一步挑戰的疾病也有些不成熟的想法，但還需要深入調研，謹慎選擇適應症和靶點。我們將繼續保持基因編輯和基因治療的興趣和技術優勢，深入罕見遺傳病的胚胎基因治療研究。」

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