基因技术突破在即——让每个人都健康长寿将不再是梦想

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人类的发展历史可以说是一部伴随着对自身健康和长寿的极致追求的历史，也是人类演化的永恒课题！这篇文章会带你走进人类长寿的新希望——基因编辑技术的世界！

先让我们一起来了解一下什么是基因编辑技术——CRISPR/Cas9吧！

我们身体对入侵自己身体的病毒会产生一系列的反应，比如去年还肆虐全球的新冠病毒，和最近流行的甲流，人体的免疫系统会表现出发烧、咳嗽等症状。有些病毒本身也可以感染细菌，它们被称为噬菌体（bacteriophage）。他们与人类的免疫系统有很大不同，但细菌也有一个防御系统，保护它们免受感染，这个系统就是CRISPR/Cas9。

如噬菌体感染细菌时，噬菌体会将自身的DNA注入进细菌。细菌识别到这些入侵的DNA，并在CRISPR/Cas9（如人体的免疫系统）的帮助下将入侵噬菌体的DNA切成碎片，让它的DNA失去复制功能，从而阻止感染。同时细菌会保留一些入侵DNA碎片，当下一次带有类似DNA片段的噬菌体再入侵时，细菌就能迅速识别并更快地作出反应，这些与人体的免疫系统完全一致。

细菌的CRISPR的全称是“规律间隔成簇的短回文重复序列”（Clustered Regularly Interspaced Short PalindromicRepeats）。由于是翻译过来的原因，这个名字很不容易记，希望我们国内的该领域专家们加把油，有一天也让老外去翻译我们的中文。

就像绝大多数生物一样，细菌也使用DNA作为自己的遗传物质。引用下我们初中生物课方老师讲的知识，DNA由四种不同的核苷酸构成，用英文字母表示就是A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）。这些字母的排列决定了生物体的遗传信息和大多数性状，就像是生命的“源代码”。有些排列方式则可以构成回文序列，就像“宁波汤圆出自宁波”这样，DNA的回文序列就像是“TAGCGAT”这样，好了，到这里我们基本了解了“回文”这个概念了。

而CRISPR的序列都是较短的回文序列组成的。这些回文序列会在一些临近的区域重复多次出现，因此称为“成簇”和“重复”。然而，这些序列之间还有一些其它序列将其隔开，这些其它序列被称为“间隔”。合并起来，CRISPR就叫作“规律间隔成簇的短回文重复序列”，通俗点讲就是：有规律的带有间隔的回文序列（个人理解独创，各位也可以独创一个容易读记的）。而Cas9是CRISPR系统中起关键作用的一种蛋白质。

CRISPR/Cas9有什么用，CRISPR是如何帮助科研人员编辑DNA的呢？实际上，这是一项非常重要的科学突破，2020年的诺贝尔化学奖就颁发给了改造这套系统的两位科学家：Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna（见下图）

如前所说，组成DNA的核苷酸的不同排列方式决定了生物体不同的表现性状。不同的性状是由不同的基因决定的，基因就是一小段“有用”的DNA。比如说，如果我们知道一个基因控制着狗狗毛发的颜色，那么改变这个基因中核苷酸的具体排列方式，对应的毛发的颜色就会发生变化（见下图）。

要理解CRISPR/Cas9编辑基因的原理，首先需要了解这个系统的各个组成部分。

首先要知道编辑的基因是什么，以及他们想要实现的功能如何。这项工作可以通过生物信息学手段来开展。在知道基因序列后，实验人员就需要设计一段引导RNA（guide RNA，gRNA），并使用Cas9这种特殊的蛋白质。Cas9就像是一把分子剪刀，它能剪开DNA，但是需要gRNA来定位。gRNA是根据目标基因来设计的一段特殊的核酸序列，它能够和要编辑的基因序列互补结合，从而给Cas9提供“GPS坐标”，让Cas9到达正确的位置（下图A）。gRNA包含了一个称作PAM的位点，这就是给Cas9的“信号”，让Cas9能找到gRNA并在指定的位置切割DNA（下图B）。

切割完成后还需要一段修复模板（repair template），这是一段包含新序列的DNA，它能够结合到剪开的位置，并在其它蛋白的帮助下，在原基因的位置生成新的序列（上图C）。这样，实验人员就可以复制、粘贴、添加或删除DNA序列的部分内容，就像在word文档中编辑句子一样！比如，假如研究人员想要在一个基因中插入ATGCTA这个序列，那么修复模板将包含ATGCTA，并在其两端添加与原始基因相匹配的DNA，从而告诉修复模板该去哪儿。这样，在DNA修复完成后，新的序列就会粘贴到DNA上的目标位置（上图D），从而得到编辑完成的基因。

那么，有了CRISPR/Cas9基因编辑工具，它能用来做什么呢？

我们人类有些遗传疾病是由于DNA的错误所引起的，它们可以一代一代地传递下去，即通常我们说的遗传病。科学家和医生们正合作使用CRISPR/Cas9来尝试治疗由于DNA错误所引起的这些疾病，这种疗法被称为基因疗法(gene therapy)。基因疗法是一个崭新的医学治疗领域，目前还没有在人体上完全测试过。不过，如果CRISPR/Cas9基因疗法能够体现出对人体的安全性，那么它或许将成为一种极有价值的方法，从而治疗并治愈遗传病人。

另一方面，一些商业公司也尝试使用基因编辑技术来创造新的产品。比如，一些研究者正尝试改变番茄的DNA，使其能产生辣椒素（capsaicin），让番茄体现出甜辣的味道。辣椒酱的口感将变得更加丰富！其他科学家也在使用CRISPR/Cas9来开发新的玉米品种，从而让它们在气候干旱、热浪侵袭的条件下也能正常生长，这或许有助于解决全球粮食危机。

我们最感兴趣的是，是否可以使用CRISPR/Cas9来使已灭绝的动物复生？想象一下，如果能看到活生生的猛犸象或恐龙四处走动，侏罗纪的各类大型生物重现在我们眼前，就如影片侏罗纪公园里展现的那样，那该有多酷啊！

尽管CRISPR/Cas9的应用前景令人遐想，但科学家群体正呼吁着国际社会立法规范这一技术的应用。任何技术的使用都应以安全和伦理作为前提。科研伦理是规范科学家行为的道德准则，它约束着科学成果必须保护公众的健康和安全，确保每一项研究都合乎人权、动物福利和法律规章，从而防止拥有先进技术的科学家伤害到人、动物或是环境。由于CRISPR/Cas9简单易行、成本低廉，几乎很难控制这项技术的使用者和使用目的。就如前几年很火的事件，南方科技大学副教授贺建奎宣布一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于11月在中国健康诞生，由于这对双胞胎的一个基因（CCR5）经过修改，她们出生后即能天然抵抗艾滋病病毒HIV。这一消息迅速激起轩然大波，震动了世界。

目前的CRISPR/Cas9还不能做到非常精准的基因编辑。CRISPR/Cas9可能会结合到错误的位置，从而编辑了其它的基因，并带来一系列后果，这被称为脱靶效应。这样的话在实行基因编辑时候就会很大不可控的风险！

科学研究必须考虑潜在的危害，特别是当这项技术被不负责任地滥用时，其带来的后果对于被编辑的个体而言可能是毁灭性的。比如，饱受质疑的造成这次全球大流行的新冠病毒是否出自基因编辑技术呢？出于这个原因，世界卫生组织和其它机构正紧密地监控、审查人类基因编辑的研究项目，确保这些研究都遵守恰当的规范。

如果我们人类以理性的方式使用CRISPR/Cas9等基因新技术，它肯定能带来很多好处，比如我们可以用它来改良我们人体内影响健康寿命的基因，这样我们是否可以更快的实现健康长寿的目标呢？但有时，基因新技术的高速发展，以至于让科学家和政策制定者都没来得及反应。因此，生物科学家们在努力改善人类健康的同时，必须始终思考自己所做事情的风险，我们在尝试使用任何新基因技术的同时必须时刻有人类命运共同体理念，保证我们赖以生存的空间足够安全！