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【Nature】Jennifer Doudna:基因编辑革命,我与CRSISPR旋风般的一年

2015/12/27 来源:科学网/孙学军博客
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导读
随着2015年进入尾声,各大杂志和网站陆续通过年终盘点来辞旧迎新。CRISPR技术先驱、加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna在Genome Biology杂志上发表文章指出,基因组编辑领域也到了辞旧迎新的时候。


很少有发现能够像CRISPR那样在一夜之间改变整个领域。CRISPR-Cas原本是原核生物的适应性免疫系统,自从人们发现了Cas9的应用潜力,这一系统迅速成为了炙手可热的基因组编辑工具。CRISPR技术的共同开发者加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna曾经在Molecular Cell杂志上发表文章,全面探讨了CRISPR-Cas9在各方面的应用。本周在《自然》发表评论,描述了自己对这一技术的潜在危害表示担忧。

CRISPR–Cas9系统的基本工作原理是这样的。CRISPR重复序列首先是在细菌的基因组中被发现的,基本功能是利用受感染病毒序列产生特异性清除病毒序列的机制,是细菌的一种免疫防御系统。

当这些重复序列遇到病毒时,细菌能制造出与病毒序列互补的RNA序列,在这个序列引导下,用Cas核酸酶将病毒序列切除,中断病毒的复制。将引导RNA进行改造,科学家能操作Cas核酸酶定向对基因组的特定DNA序列进行切割。

CRISPR-Cas9的应用十分广泛。CRISPR-Cas9能对目标基因进行插入或缺失。结合HDR可让CRISPR-Cas9的基因组编辑更加精确。将Cas9-sgRNA与供体DNA结合起来,细胞就能用供体DNA作为模板修复DSB。这一策略可以向目的基因引入新序列或者特定突变,模拟或者矫正致病性的等位基因。CRISPR-Cas9可实现多重化靶标,可以删除染色体大片段,还可以模拟肿瘤中发生的大规模的染色体重排。利用CRISPR-Cas9可编程特性进行全基因组筛选。失活的Cas9可以用来进行全基因组筛选,可直接上调或者下调基因表达。通过点突变失活Cas9催化活性位点得到dCas9。在RNA的引导下,dCas9与可编程的DNA结合,可建立调控基因表达的新工具。将dCas9与特定的效应子结构域融合起来,将转录抑制因子或转录激活因子招募到特定的基因组区域,在真核生物中实现更强的基因表达控制。将dCas9与带有表观遗传学标签的效应子结构域融合,可建立表观遗传学干扰工具。

Doudna对这一技术在生物学领域的飞速拓展感到震惊,从植物、果蝇到动物疾病模型的建立。同时她对这一技术带来的哲学和伦理学问题进行了思考。关于是否这种技术只能局限于非医疗,似乎过于主观,她尽量说服自己,伦理学问题应该是伦理学家的事,科学家应该只关心科学本身的问题。但是随着技术应该范围的增大,对人类卵子、精子和胚胎细胞进行基因编辑几乎是一种必然,这理论上是对人类遗传基因进行了改造。2014年春天,她纠结于是否应该远离这种自己建立的基因修饰技术必然带来的伦理学争议风暴,每天无法入眠。

2012年12月发表的CRISPR-Cas9技术一度让Doudna和同事们激动异常,一方面是因为她们经过了反复的尝试终于获得成功,另一方面是意识到这种技术的巨大应用潜力。

2012年以前,一般一种新的分子生物学技术总要经历数年才能被人们广泛使用,刚刚开始阶段也没有异常,2012年底只有6篇关于CRISPR技术的研究论文。2013年初,情况开始发生变化,包括使用该技术对人类干细胞和斑马鱼进行基因编辑的多篇论文接踵而至。2014年底,科学家已经采用CRISPR技术进行小麦抗虫性、建立小鼠特定染色体易位的致肺癌效应和对导致人类遗传病高酪氨酸血症的突变基因进行修正。2014年2月,这一技术开始对伦理学进行了强烈挑战。科学家描述了使用这种技术对猕猴胚胎基因组进行精细修饰,经过基因修改的猴胚胎被移植给猴妈妈子宫内,出生后这种猴的大部分细胞都携带这种修改的基因,包括其生殖细胞。猕猴是接近人类的灵长类动物,这说明对人类生殖细胞进行基因修饰的已经没有技术障碍。

Doudna写评论对这一论文提出警示,她甚至意识到,很快会有学者开展的人类胚胎基因组修饰,如果记者采访时她该怎么评价。这时她收到一个患者的电子邮件希望对自己的基因进行修改,这位26岁的女性发现自己携带BRCA1基因突变,这种突变的人在70岁以前大约有60%的机会患乳腺癌。她已经考虑切除自己的乳腺和卵巢,她想请教是否有可能用CRISPR技术避免自己的乳腺和卵巢切除。

此后Doudna开始受各种关于基因修改的咨询和研究合作信件的拖累。每天都有大量使用CRISPR的论文,收件箱里塞满了各种寻求合作和要求协助的来信。同时,她的邻居、家庭成员和生活上的朋友对此并不了解,她似乎是生活在两个不同的世界。

2014年底,Doudna的不安促使她进行不情愿的更公开讨论。因为除了科学家对使用这项技术进行的开放讨论外,政府、监管机构和其他人都不知道基因编辑飞速的研究。

Doudna第一次关于参与伦理学的公开讨论是2015年1月在加州纳帕谷参加的为期一天的会议。会议由创新基因组计划主办,Doudna协助组织,18人参加,分别是科学家、生物伦理学家、电影制片人和加州大学伯克利分校管理人员等。讨论了基因工程可能对医学、农业和环境带来的影响,重点讨论了人类生殖细胞的修改问题。

会后不久在《科学》发表了一篇观点透视文章,倡导全球科学共同体一起来限制使用基因编辑工具修改人类生殖细胞进行临床应用。并建议举办一次公开会议对非科学家人群进行教育,讨论如何规范和负责地开展基因编辑技术的研究和应用。

加州纳帕谷会议后,Doudna先后在中小学、大学和公司做了60多次CRISPR科普报告,在美国、欧洲和亚洲参加了20多次学术会议。先后给美国国会、美国总统提供科学建议的白宫科技政策办公室和加州州长等进行对话和交流。但这些并不是她喜欢的科学活动。

作为生物化学家,她没有用动物和人类进行过研究,除遗传和基因克隆、干细胞和体外受精等技术相关的研究外,她对这些内容不完全熟悉。依靠一个同事的帮助,她学习了解了不同国家关于人类和人类组织的相关研究的规则,以及关于人类体外受精技术的伦理学历史。

她现在非常忙碌,已经影响到自己的研究和生活,科研工作只能通过网络交流,她心爱的菜园和13岁的儿子都没有足够时间照顾。

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