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漫画 | 一文读懂基因编辑时间:2019-03-22

你发现了没有,在科幻电影中,平民出身的“超级英雄”都有一个共同点:他们的超能力往往不是靠勤学苦练练出来的,而都是靠修改基因改出来的!

虽然超能力在现实中并不存在,但是修改人类的基因早已成为了现实。今天咱们就来说说,新闻里常说的基因编辑是怎么回事?编辑基因会有啥好处?

(一)

先说说基因是啥。基因说白了,就是制造生物体的图纸。生物体的大部分细胞里都有这样一整套的基因图纸。蜘蛛侠之所以能吐丝,能飞檐走壁,靠的就是基因图纸的指导。

只不过,基因这种图纸,不是直接把生物特征画成了图,而是将它加密成了一串密码。这串密码也不是用普通人能看得懂的符号写的,而是由四种特殊的化学分子排列成的。这四种化学分子分别记作A、T、C、G

在细胞中,这串由化学分子排列形成的密码长链就是我们平常说的DNA。所以,基因编辑,就是像我们编辑手机中的文字一样,编辑 DNA 分子中某几个特定的化学分子!那么,基因编辑跟我们普通人又有什么关系呢?

(二)

人会有缺陷,计算机程序会有缺陷。同样的道理,生物细胞里存放的基因图纸也会有缺陷。


有时候,基因缺陷的后果很严重。因为图纸出了问题,造出的零件就可能出问题。零件出了问题,使用零件的机器就可能出问题。最严重的时候,整个“生命工厂”都会因此产生重大事故。



实际上,许多打针吃药做手术都治不好的病,都是跟基因缺陷有关。比如,有一种病叫作联合免疫缺陷。得了这种病的小孩,免疫系统几乎完全失灵,通常只能住在与世隔绝的气泡舱里。这种病的一种较常见的原因是 ADA 基因存在缺陷。


除此之外,癌症、血友病白化病等等,甚至某些高血压和糖尿病,都跟基因缺陷有关。所以,就算我们不想制造超级英雄,为了身体健康,我们也得了解一点儿基因编辑的知识。

(三)

要想搞清楚基因该怎么编辑,就得先分清楚基因存在哪类缺陷。粗略地说,基因缺陷可以分为两类。一类叫作“该有的没有”,另一类叫作“不该有的乱有”。

1.该有的没有  假如基因缺陷导致某个基因造出的零件不好用,或者干脆啥也造不出来,就属于该有的没有。此时,科学家就会往细胞里添一个好用的基因,也就是“缺啥补啥”[1]。这种任务通常由某种改造过的病毒来完成。说白了,就是让病毒把好用的基因塞到细胞里。

比如,1990 年,美国国立卫生院临床中心就是用添基因的办法(即添加正常的 ADA 基因),治好了一个患有联合免疫缺陷的小女孩。于是,这个小女孩再也不用在气泡舱里生活了。

话说回来,往细胞里添基因虽然也属于基因编辑,但这种方法有点儿不够精准。因为用这种方法添加的基因,会在 DNA 密码链中随便找地方落脚,有点儿不受控制。相比之下,下面这种情况才是手术刀级别的“基因编辑”。

2.不该有的乱有  

假如基因缺陷的后果不是零件不好用,而是零件功能错乱,导致不该有的乱有,那么,添基因的办法就不管用了。


这个时候,科学家必须把基因的缺陷修改掉,也就是像编辑图纸中的错别字/错线段一样,直接在 DNA 密码链特定的位置上插入、删除、替换其中的某几个密码字符(即化学分子),才能彻底解决这个问题。这就是手术刀级别的基因编辑比如,有一种叫作 HTT 的基因包含 9000 多个密码字符,其中的字符难免会出错(注:多出来好几处内容为“ CAG ”的密码序列)。如果“错别字”数量超过一定阈值,人类和小鼠就会得一种奇怪的遗传病,叫作亨廷顿舞蹈症


科学家发现,利用基因编辑技术,把 DNA 密码链中的“错别字”编辑掉,小鼠的亨廷顿舞蹈症就能治好。

(四)

在人类的 DNA 中,密码字符的数量高达几十亿个,怎样才能改正其中的“错别字”呢?我们可以设想,不管用什么办法,这个过程一定会分成三个步骤:

所以,科学家要想实现基因编辑,就需要有一套好用的工具,配合细胞修复机制,共同完成这几个步骤。那么,世界上真的存在这么好用的工具吗?

(五)

这样的工具真的存在,而且,它们往往存在于自然界的生物细胞中。例如,最近格外出名的基因编辑工具 CRISPR/Cas 系统,就是在细菌体内发现的。CRISPR/Cas 原本是细菌的免疫系统,最擅长剪断特定的 DNA 。经过科学家改造后,它就可以帮助我们编辑指定基因了。比方说,在这套工具中,专门有一串化学分子(gRNA)可以在 DNA 密码链中识别“目标错别字”。一旦它找到了“目标错别字”,就会像拉链一样,跟一条 DNA 密码链紧紧地扣在一起。这就是第一步。

此时,有一种和它连在一起的蛋白质(Cas9)就会对准DNA密码链的这个位置,“咔嚓”剪一刀。这就是第二步。


最后,细胞的修复机制会发挥作用,按照科学家指定的“内容模板”,把“错别字”改对,再把 DNA 密码链接好。这就是第三步。


咱们在上文说的编辑小鼠 HTT 基因,治疗小鼠亨廷顿舞蹈症的实验,用的就是这套工具(CRISPR/Cas 系统),是不是很厉害?可惜,目前这种工具还不够成熟,暂时还没有用在人体的基因编辑中。

(六)

虽然 CRISPR/Cas 系统现在风头正劲,但它目前还存在两个不足:一是脱靶效应,二是缺乏默契第一个不足是脱靶效应。也就是说,在它识别错别字的时候,可能会误伤某段正常的密码链(比如,一段密码链的内容跟“目标错别字”很像,但不完全一样时)


这个道理很简单。CRISPR/Cas 系统本来就是细菌的“锄奸队”,它的任务是铲除病毒植入的病毒基因。由于病毒的基因会不断变异,所以它得有一定的灵活度,不能总是要求100%的匹配。


而且,由于人的某些基因是成对地出现在一对染色体上的。当一对基因都存在缺陷时,编辑基因的任务量就会翻倍,难度也会随之增加。第二个不足是缺乏默契。CRISPR/Cas 系统再怎么经过改造,它也是从细菌来的。细菌没有细胞核,跟人这样的有细胞核的生物非常不同。CRISPR/Cas 系统跟人体细胞修复机制打配合的时候,就好比让C罗跟篮球队员打配合,肯定会缺乏默契。


所以,某些 CRISPR/Cas 编辑工具把 DNA 剪断以后,细胞会胡乱补一通,结果导致“错别字”不但没改对,反而成了“错上加错”。

(七)

当然,正是因为技术还不够成熟,科学家才要继续研究它。截至 2017 年底,科学家正在进行或已完成的基因治疗临床试验高达 2400 多项。这些试验有的想要治疗癌症(64.6%),有的想要治疗单个基因引起的遗传病(10.5%),有的想要治疗传染病和心血管疾病等跟多个基因有关的疾病(7.4%)。其中一些试验,就需要用到基因编辑技术。虽然现在基因编辑技术在科学、法律和伦理等层面仍然面临着许多挑战,但种种结果显示,用它治疗疾病的潜力非常大。要想改善人们的健康,将基因编辑真正地用在实处,我们不仅需要科学家的努力,还需要全社会一起努力。


(本文转自公众号企鹅科学,图片来源于公众号科普中国)

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