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Nature特刊:改变生物学研究的CRISPR技术

2015-10-08 15:36  
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Nature特刊:改变生物学研究的CRISPR技术

CRISPR这种强大的基因编辑技术是继PCR以来生物学领域最具革命性影响的技术,然而它的巨大潜力也让人担忧。

三年前,Bruce Conklin偶尔发现的一种方法令他改变了整个实验室的研究方式。

Bruce Conklin是美国旧金山Gladstone研究所的遗传学家,他一直致力于研究DNA的差异是怎样影响各种人类疾病的,然而他的研究工具用起来却很费劲。当他处理患者的细胞时,很难辨识出哪段序列是致病的关键,哪段序列仅仅是背景噪音。而将突变导入细胞则是成本高昂且繁重的工作。“改变一个基因的工作量,足够一个学生写上一整篇论文,”他说。

后来,在2012年,他读到了一种新近发表的,称为CRISPR的技术,CRISPR使研究者能迅速地改变任何组织的DNA——包括人类组织。随即,Conklin放弃了原先建立疾病模型的方法,改换成这种新方法。如今,他的实验室正热衷于改变多种与心脏疾病相关的基因。“CRISPR让一切焕然一新。”他说。

CRISPR正在引领生物医学研究的剧变——这一观点获得了广泛认同。与其他基因编辑技术不同,CRISPR廉价、迅速且便于操作,因此它迅速席卷了全世界的实验室。研究者们希望用它来改造人类基因并剔除疾病,培育更强壮的植物,消灭病原体,以及实现更多其他目的。“自从我从事科研以来,见识了两次重大的突破:那就是CRISPR与PCR。”来自康奈尔大学的遗传学家John Schimenti说。自1985年PCR问世以来,这一基因扩增技术掀起了遗传工程的革命,而正如PCR一样,“CRISPR在如此多的领域影响着生命科学,”他说。

然而,尽管CRISPR有诸多贡献,一些科学家仍旧担忧,该领域的突飞猛进没给我们足够时间去探讨这类实验可能引起的伦理问题和安全隐患。4月,科学家利用CRISPR改造人类胚胎的新闻(Nature 520, 593–595; 2015)把这一问题推向了风口浪尖。尽管他们使用的胚胎无法发育成婴儿,但这则报道仍然引发了激烈争论,这些争论包括是否应该应用CRISPR对人类基因组进行可遗传的改造,或者,该怎样进行此类改造。况且,还有其他方面的担忧。有些科学家希望能有更多的相关研究来探索该项技术是否会造成意外的、可能有害的基因组改变,另一些则担忧改变有机体可能会扰乱整个生态系统。

“在实验室,获取这种能力相当容易——你无须十分的昂贵的设备,人员也无需经过多年训练,”加州斯坦福大学的系统生物学家Stanley Qi说。“我们应该慎重思考该怎样应用这种能力。”

研究革命

生物学家早就可以使用分子工具编辑基因组。大约十年前,他们就曾为锌指核酸酶(zinc finger nuclease)激动不已,这种酶有望准确而有效地编辑基因组。然而,据美国布兰戴斯大学的分子生物学家 James Haber称,订购锌指核酸酶需要5000多美金,由于昂贵和难以操作,锌指核酸酶并没有得到广泛应用。CRISPR的工作原理是不同的:它依赖一种叫做Cas9的酶,Cas9会利用一段向导RNA分子,准确地定位到目标DNA,然后它会编辑DNA,剔除基因或插入所需序列。研究者往往只需订购RNA片段,其他组件则能在市场上购买到。全部开销仅有30美金。“这一点有效地促成了这项技术的普及化,人人都能用,”Haber说,“这是场巨大的革命。”

很快,CRISPR技术让锌指核酸酶以及其他编辑工具黯然无光(见《CRISPR的崛起》)。对某些人而言,这意味着舍弃他们已经花上数年功夫才精通的技术。“我很郁闷,”英国辛克斯顿威康信托基金会桑格研究所的遗传学家Bill Skarnes说,“但同时我也很兴奋。”Bill Skarnes曾在20世纪80年代中期引进的技术上投入大量工作精力:将DNA 插入胚胎干细胞,然后用那些细胞建立转基因小鼠。这项技术成了实验室的主要工具,但同时又费时费力。相较传统技术,CRISPR所需时间大幅缩短,Skarnes在两年前接受了CRISPR技术。

在传统的生物学研究中,研究者十分依赖小鼠或果蝇之类的模式生物,部分原因是只有这些物种已经配备了一套完善的遗传改造工具。而现在CRISPR使得编辑更多物种的基因成为可能。譬如,今年4月美国怀特黑德生物医学研究所的学者们发布了利用CRISPR对白色念珠菌(Candida albicans)的研究,这种真菌对免疫系统虚弱的人们尤其致命,然而在实验室中一直很难对它的基因进行操作。加利福尼亚大学伯克利分校的CRISPR先锋Jennifer Doudna收藏了一份CRISPR改造物种的清单。目前为止,她已经登记了三十多种生物,其中包括名为锥虫(trypanosome)的致病寄生虫和能够合成生物燃料的酵母。

然而神速的进展也伴随着缺陷。“人们没时间去鉴定这个系统中一些十分基本的参数,”加利福尼亚大学旧金山分校的生物物理学家Bo Huang说。“有那么一种心理:只要它还管用,我们就无需去了解它的作用机理。”这意味着研究者们偶尔也会遇到些麻烦。为了将CRISPR应用于成像研究,Huang与他的实验室成员奋斗了两个月。他猜想,如果他们对于怎样优化“引导RNA”的设计——一个基础而又重要的细节——有更多了解的话,或许就无需耽搁那么久。

总而言之,研究者们把这点缺陷看成是为一个强大技术付出的一点小代价。然而Doudna对其安全性具有更深的忧虑。她的担忧始自2014年的一场会议,会上她看到一位博士后的工作汇报:改造一种病毒,将CRISPR组分携带进入小鼠体内。小鼠经呼吸摄入病毒,从而允许CRISPR系统制造突变并建立人类肺癌模型。Doudna打了个寒颤;在引导RNA设计中哪怕有一点差池,同样的事就会在人类的肺部发生。“想想你也许有个学生会做那样的研究,真让人胆战心惊,”她说,“关键是,人们得理解这项技术能做什么。”

纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)的癌症专家,这项工作的第一作者Andrea Ventura表示,他的实验室谨慎考虑过其中的安全意义:他们把引导序列设计成特异性针对小鼠的遗传区域,而病毒也具有缺陷,无法复制。他赞同即使风险微乎其微,防患于未然也很重要。“引导序列不是用来切割人类DNA的,不过谁知道呢,”他说。“多半没有问题,但仍需提防这一点。”

剔除疾病

去年,剑桥麻省理工的生物工程学家Daniel Anderson及其同事在小鼠中利用CRISPR纠正了人类代谢疾病酪氨酸血症(tyrosinaemia)的相关突变。这是首次利用CRISPR在成年动物中纠正致病突变——在通往利用该技术进行临床基因治疗的道路上,这也是重要的一步(见《CRISPR简史》)。

CRISPR能够加速基因治疗发展的想法成了科学界与生物技术领域的一针兴奋剂,然而,Anderson的研究在展现了CRISPR技术潜力的同时,也指出要实现临床应用依然前路漫漫。为了将Cas9酶转入靶器官——肝脏,该团队必须向血管中泵入大体积的液体——这一措施通常在人体中并不可行。这次实验仅仅在0.4%的细胞中纠正了致病突变,对于大多数疾病而言,这个比例太低了,不会有什么作用。

在过去的两年里,不少公司迫不及待地投入了基于CRISPR的基因治疗,Anderson等人表示,首批此类临床治疗可能会在今后的一两年内问世。首批治疗很可能出现在能将CRISPR组分直接注入组织的情形下,譬如眼球内的组织;另一种情况是,可以从机体中移出细胞,在实验室里进行改造并植回机体。譬如,可能修复造血干细胞,以治疗镰状细胞(贫血)症或β-地中海贫血(β-thalassaemia)等疾病。将酶和引导RNA导入多种其他组织将会是个大挑战,但研究者们希望有朝一日该技术能广泛应用于各种遗传疾病。


然而,很多科学家警告说,在安全有效地使用CRISPR之前还有很长的路要走。科学家们希望提高编辑基因的效率,但同时也要保证不会在基因组的其他部位导致能影响健康的改变。“这些酶有可能切割到在你设计的酶切位点以外的部位,这会产生多种影响,” Haber说,“如果你想置换某人干细胞中的镰状细胞基因,就会有人问你,‘嗯,这可能会在基因组的其他部位造成怎样的损伤ω’”

在波士顿麻省总医院研究基因编辑的Keith Joung一直在开发能追踪Cas9脱靶切割的技术。他说,对于不同的细胞,不同的序列,这类切割发生的几率有很大差别:他和其他实验室观测到,此类脱靶几率在0.1%到60%之间。他表示,即使发生几率很低,但如果脱靶切割促进细胞生长并引发癌症,也可能有潜在的危险。

Editas 公司总裁Katrine Bosley表示,既然CRISPR有这么多的问题,合理控制对CRISPR的期望值就很重要。Editas是一家位于麻省剑桥,研发CRISPR介导的基因治疗的公司。Bosley是一位将新技术应用于商业化的行家,她表示,通常难点在于说服他人某一方法可行。“然而CRISPR往往相反,”她说。“有那么多惊喜和支持,然而我们也要切实认识到实现目标要做出的努力。”

农业中的CRISPR

当Anderson等人致力于修改人类细胞中的基因,其他人把目标对准了农作物与牲畜。在基因编辑技术出现之前,通常只能在基因组的随机位点中插入基因,以及来自细菌、病毒或其他物种的促进基因表达的序列。然而这一过程是低效的,并且,那些反对混合不同物种基因,或者担心插入基因可能会干扰其他基因的人士往往会攻击这一技术。更有甚者,转基因作物要获得批准既麻烦又昂贵,这导致大部分转基因作物都是大规模商业化的农作物,譬如玉米或大豆。

CRISPR技术可能会改变这种现状:CRISPR的便捷与廉价使得小规模种植的特殊作物和牲畜的基因组编辑变得可行。在过去的几年间,研究学者已经用这一方法改造出了小型猪(petite pigs),并培育出了抗病小麦与大米。他们在改造无角牛(dehorned cattle)、抗病山羊和高维生素甜橙方面也已经有了进展。Doudna预测,她的CRISPR改造物种清单会继续增长。她说,“这是个很有趣的机会,可以考虑实验或基因改造那些商业上不太重要,但从研究视角,或者作为家庭园艺蔬菜而言十分有趣的植物。”

CRISPR能精确编辑DNA序列的能力有利于更精确地改造基因,然而一旦推行,也会使得管理者与农民们更难鉴别出基因改造的物种。“有了基因编辑技术,就再也无法真正去追踪经过基因改造的物种,”罗利市北卡罗来纳州立大学研究科学政策的Jennifer Kuzma说,“要检测出某一基因是通过传统方式突变的,还是遗传工程改造的,会很有难度。”

这为转基因作物敲响了警钟,并且也为致力于控制转基因动植物的国家提出了难题。在美国,食品药品监督管理局(FDA)目前既未批准任何供人类食用的转基因动物,也未公布管理转基因动物的措施。

根据现有的规定,并非所有经过基因组编辑的作物都需要美国农业部的管理(Nature 500, 389–390; 2013)。然而,在五月,农业部开始寻求提高转基因作物管理的方法——这一举措被许多人看成是该机构根据CRISPR之类的技术,重新评估自身作用的标志。“窗户已被打破了,”Kuzma说,“还不知道从会从窗外飞进来什么东西。然而打破窗子这事本身就就让人兴奋不已。”

改造生态系统

除了农业以外,研究学者还在思考CISPR能怎样,或者该怎样被应用于野生生物。一种一直倍受关注的方法叫做“基因驱动”(gene drive),它能迅速地将改造后的基因传遍整个种群。这项工作尚处于早期阶段,然而类似技术可以被用来肃清致病的蚊子或虱子,消灭入侵植物,或者,扫除让一些美国农场主头疼不已的,具有除草剂抗性的野草。

一个物种中的遗传改变往往需要较长时间才能传遍整个种群。这是因为,一对染色体中的一条携带的突变仅仅被被半数后代遗传。然而基因驱动允许通过CRISPR导入单条染色体突变能够在每一代中自我复制到另一条染色体上,结果,几乎所有的后代都会遗传这一改变。这意味着它会以高于正常速度的指数级形式传遍种群(见《基因驱动》)——通过基因改造为蚊子植入的一个突变,就可能在一季时间内传遍一个巨大的种群。如果该突变能使蚊子的后代数量降低,那么蚊群就会与其携带的疟原虫一起灭绝。


然而很多研究者对改变或消灭整个种群表达了深切的忧虑,这可能会对生态系统造成深远的未知影响:譬如,这可能意味着其他害虫会滋长,或者,这可能会影响食物链顶端的捕食者。而研究者们同时也注意到,随着时间延长,引导RNA可能会突变,导致其靶向基因组的其他区域。这种突变随后也会传遍种群,而后果无法预料。

“它必须是高回报的,因为风险不可逆——并且对其他物种而言,后果不可预料,难以计算,”波士顿哈佛大学的生物工程学家George Church说。2014年四月,Church协同一批科学家和政策专家在Science发表评论,警告研究学者们其中的风险,并提出建议,以避免实验性基因驱动的因事故而散播。

在当时,基因驱动似乎还遥不可及。然而不到一年,加州大学圣地亚哥分校的发育生物学家Valentino Gantz报道了他们在果蝇中设计的此类系统。Bier与Gantz把果蝇装进三层盒子,并把实验室安全级别提高到应对致疟蚊虫的水准。然而他们并未遵守作者在评论中提出的所有指导意见,譬如,设计出一套方案来逆转基因改造。Bier说,他们当时正在进行首次理论验证实验,只是想验证系统是否成功,在此之前不想把事情搞复杂。

对于Church等人而言,这是一项明显的警告,告诫人们CRISPR基因组编辑的常规化使用可能会有无法预见的,事与愿违的结果。“由国家监管机构和国际组织来负责这件事是很有必要的——真正的负责,” Kenneth Oye说,他是麻省理工学院的政治学家,也是Science那篇评论的第一作者,“我们得采取更多行动。” 美国国家研究委员会已经组织了专门小组讨论基因驱动,而其他的高级别的讨论也正在展开。然而Oye担心,科学技术正在飞速发展,而监管措施可能在基因驱动大规模流行以后才能出台。

这并不是个是非分明的问题。来自学院站德克萨斯A&M大学的昆虫生态学家Micky Eubanks表示,基因驱动的想法起初令他震惊。“我的第一反应是‘哦,天哪,这真可怕,太惊人了。’”他说。“然而当你再三思索,并且与那些我们已经造成并将继续造成的环境改变互相权衡,基因驱动只是沧海一粟罢了。”

一些研究学者在其他曾令人惊叹并担忧,随后又在萌芽期遇到麻烦而最终令人失望的新技术中,看到了CRISPR可以借鉴的经验教训。James Wilson是费城宾夕法尼亚大学的医学遗传学家,20世纪90年代,他处在欣欣向荣的基因治疗的中心——结果却见证了基因疗法因为一次临床试验失败并杀死一位年轻人后走向了衰落。这个领域仓皇收场,仅在最近才开始恢复。CRISPR领域还很年轻,Wilson表示,也许需要好几年才能见识到它的潜力。“它还在发展阶段。这些想法有待成熟。”

然而,Wilson再次和CRISPR结了不解之缘。他说,除非自己的实验室开始摆弄CRISPR,否则他对于所有相关的保证都表示怀疑。“CRISPR终将在临床治疗中一展身手,”他说,“它委实妙不可言。”

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