基因革命如何改变我们： CRISPR技术最新进展
作者： Michael Specter | 来源： National Geographic Magazine
摄影： Greg Girard | 翻译： 赵赫 | 校对/编辑： 岳川
译文首发「神经现实」（公众号：neureality），未经授权禁止转载。
如果你看一眼安东尼·詹姆斯 （Anthony James） 的办公室，就不难猜出他是干什么的。墙上满是蚊子的图片，有关蚊子的书籍摆满了整个书架。
在他的办公桌旁有一幅效果图，描述了一类特殊蚊种——埃及伊蚊的各个发展阶段： 从卵到蛹再到发育完全，那尺寸大到能把 《侏罗纪公园》 的粉丝吓得脸色发白。他的车牌上也有一个关于该蚊种的词： AEDES （伊蚊） 。
他是加州大学尔湾分校的分子遗传学家。「我痴迷于蚊子已经30年了。」詹姆斯说道。
地球上蚊子的种类大约有3500种，而詹姆斯只关注了其中的几种，但这几种都可以被称为地球上最致命的生物。这其中就包括通过传播疟疾，每年杀死成千上万人的甘比亚按蚊。然而在詹姆斯职业生涯的大部分时间里，他一直专注的是伊蚊属。历史学家认为，伊蚊在17世纪通过来自非洲的奴隶船传播到新大陆，它带来了杀死数百万人的黄热病。如今，这种蚊子不仅携带每年感染多达4亿人的登革热病毒，还携带了一些越来越危险的病菌，例如奇昆古尼亚病毒，西尼罗河病毒和寨卡病毒。
加州大学尔湾分校安东尼·詹姆斯实验室的蚊子幼虫见证了这种可怕的疾病如何被阻止。以上两幅图中显示的都是按蚊，是一种流行于亚洲城市的疟疾的主要载体。詹姆斯使用CRISPR技术为右边的幼虫编码了一对基因，从而使这种昆虫不能传播寄生虫。荧光蛋白信号的出现表明试验已经起作用。在野外放生这些使用了CRISPR技术编码和一种叫做基因驱动的工具设计的蚊子，可能将最终替换掉野外那些携带病毒的蚊子。但把这样的科学理论付诸实践仍然存在著太多的不确定性。
去年发生在巴西的广泛爆发式流行的寨卡病毒已给人类造成多种神经系统的疾病，其中包括一种叫做头小畸形的罕见人体缺陷，这种缺陷会给婴儿在出生时带来不正常的小头和欠发达的大脑。
詹姆斯和他实验室的目标一直以来都是去寻找一种方法去操控蚊子的基因，以使其不再具有传播多种病毒的能力。直到现在，这都一直只是一条漫长的、孤独的并且在很大程度上只能在理论上开展的研究之路。但是通过采用一项被称为CRISPR-Cas9的革命性新技术，以及其所附带的一种以基因驱动闻名的自然系统，理论即将变为实践。
CRISPR技术可以让人们拥有操控基因的全新手段。这是首次科学能够迅速并准确地改变、删除并且重新排列活的有机体的DNA，当然其中就包括我们人类。在过去的三年里，该技术已经改变了生物学方面的一些基础知识内容。通过使用动物模型进行试验，世界范围内实验室的研究人员已经使用CRISPR技术纠正了主要的基因缺陷，包括负责纠正肌肉萎缩症、囊性纤维化以及各种形式的肝炎的基因突变。最近，几支实验队伍已经通过使用CRISPR技术展开了从人类细胞DNA中清除HIV病毒的尝试。虽然结果只获得了部分的成功，但许多科学家仍然相信，该技术将有助于艾滋病的治疗。
在实验过程中，科学家们也使用了CRISPR技术来去除猪身上的病毒，因而使猪身上的器官能够移植到人的身上。生态学家们也正探求能够帮助保护濒危物种的技术路线。此外，和各种各样的农作物打交道的植物学家也已经踏上了寻找删除吸引害虫之基因的道路。这样，依靠生物学而不是靠化学，CRISPR技术帮助农作物减少了对农药的依赖。
在过去的一个世纪里，没有科学成果给我们以更多的保证，亦或是给我们提出更多令人不安的伦理学问题。最刺激的是，如果CRISPR技术被用来编码一个人类胚胎生殖系细胞中含有的能被下一代继承的遗传物质，要么就是纠正基因缺陷，要么就是提升一种想要得到的特性，而这些改变将会永远遗传给这个被编码的人的子嗣及其后代。这种深刻变化产生的影响虽然有可能预见，但是却很难。
哈佛大学和麻省理工学院布罗德研究所所长，曾担任人类基因组计划的领导者埃里克·兰德 （Eric Lander） 说： 「这是一项非凡的技术，有很多伟大的用途。但如果你要做的是像要改变宿命一样的去改变种系，你最好告诉我你有相当充分的理由要这样做，你最好能说明是社会作出了这样的选择，除非获得广泛的认同，否则我们是不会让它发生的。」
在过去的一个世纪里，没有科学成果给我们以更多的保证，亦或是给我们提出更多令人不安的伦理学问题。
「科学家们没有资格回答这些问题，」兰德告诉我说，「我也不知道谁才有这个资格。」
CRISPR-Cas9技术有两个组成部分。第一部分是一种被叫做Cas9的酶，它的功能是作为细胞的刀来切割DNA （在自然界中，细胞利用它来分离并剔除入侵病毒的遗传基因代码） 。组成其的另一半则是一组能够精准地引导这把「刀」到指定核苷酸的向导RNA，而该核苷酸便是要被分离的DNA的化学键 （研究人员很少在谈话中提及「Cas9」这个词，亦或是「CRISPR」所代表的不恰当术语： 「成簇的、规律间隔的短回文重复序列」） 。
这一向导RNA准确得可怕，科学家们可以添加一个人造的替代品到基因染色体的任意位置，即使这个染色体由数十亿个核苷酸组成。当它到达其目的地时，Cas9酶会剪去多余的DNA序列。为了修补其破损，细胞会插入已经在CRISPR包中释放的核苷酸链。
当爆发于波多黎各的寨卡病毒消退后，美国疾控中心根据其他蚊子传播疾病的方式做出了估计： 在拥有350万人口的波多黎各市，至少有四分之一的人可能感染寨卡病毒。这也意味著有数千孕妇可能会被感染。
目前，唯一真正对寨卡病毒有效的措施都要算上用杀虫剂来清洗整个岛屿了。詹姆斯和其他一些人提出，使用CRISPR技术来编码蚊子的基因序列，并且使用基因驱动技术来使这些基因编码产生的变化成为永久会是个更好的办法。
基因驱动技术将有力地推翻传统的遗传学定律。通常情况下，任何有性繁殖动物的后代都会得到来自父母的一对基因副本。然而，有一些基因却是「受到青睐的」： 进化赋予了它们一项权利，那就是这些基因拥有超过50%的几率会被继承。从理论上说，在放任动物自然交配之前，科学家们可以将CRISPR技术和遗传驱动结合，通过附加一个想要的基因序列在这些「受青睐的」基因上面，以此来改变某个物种的基因编码。把这些工具集中在一起便可以改变一个物种的几乎任何基因遗传特征。
去年，在一项发表在 《美国国家科学院学报》 （Proceedings of the National Academy ofSciences） 上的研究中，詹姆斯利用CRISPR技术重新编码出一种新的按蚊蚊种，使这些蚊子不再具有传播疟疾的能力。「我们加入了一个小的基因，保留它们原来所有的其他功能，」他解释道，「除了一个轻微的变化。」而这个变化便阻止了蚊子传播这种致命的寄生虫。
「我一直默默工作了几十年，现在可不一样了，电话总是响个不停。」詹姆斯一边说一边朝桌上的一叠信件扬了扬头。
同带有多种不同病毒的埃及伊蚊战斗则需要一种稍微不同点的方法。「你需要做的是什么呢，」他告诉我说，「就是去编码一个基因驱动，来让蚊子失去生育能力。如果这蚊子还是可以传播登革热或其他什么病毒，那么建立这个对抗寨卡病毒的蚊抵抗系统完全没有意义。」
为了对抗登革热，詹姆斯和他的同事们设计了一种CRISPR技术包，可以直接从蚊子的野生父母身上删除掉一种自然基因，并用一种新的基因代替，这种基因可以使它们的后代全部不能孕育。如果足量的这种蚊子被释放出去并进行交配，那么用不了几代 （通常只持续两到三周） ，其整个物种都将携带这种不孕的基因。
詹姆斯敏锐地意识到，释放一个旨在能够迅速扩展至整个野生物种的基因转变可能会导致意想不到的后果，而且这种后果不可逆转。他说： 「释放这些在实验室里被重新编码的昆虫有明确风险，但是我相信如果不这么做可能风险更大。」
右图： 周银在安慰明明和宁宁，这对雌性猕猴双胞胎是通过对经过使用CRISPR技术修饰的卵子进行体外受精而受孕出生的。这对双胞胎的健康出生，也表明CRISPR技术第一次成功地实施于选择性改变灵长类动物的多重基因，这同时也意味著我们对先天性疾病的理解能力将得到极大的发展。
在四十多年前，科学家们已经发现如何从一个生物体的基因上切割核苷酸，并且把这些核苷酸粘贴到另外的生物的基因上，以新增他们想要的生物特性。分子生物学家们得知这一实践的可能性后都很兴奋，这种做法被称为重组DNA，是对他们的研究开放的。然而从一开始，科学家们也意识到，如果他们真的能够在物种之间转移DNA，他们也会同时在不经意间转移病毒或其他什么病原体。这可能会导致意想不到的疾病，这种疾病没有天敌，无法被治愈或者治疗。
没人比科学家们更加害怕这种可能性的产生。在1975年，世界范围内的分子生物学家汇聚在加利福尼亚中部海岸的阿西罗玛会务酒店，共同商讨这一新技术带来的挑战。在本次会议上，与会人员制定出一系列保护措施，包括随著实验所带来的潜在风险，升级实验室的安全水平。
不久便明确了这些保护措施是有效的，且这项研究具有巨大的潜在利益。基因工程开始改善数百万人的生活。例如糖尿病患者就可以依靠基因工程稳定提供胰岛素，这种胰岛素便是通过把人类胰岛素基因植入细胞中并让其在培养基中成长，这一系列工作都在实验室完成。再例如，产量更高并且有抵抗害虫能力的转基因作物也已开始大大改善当前世界农业现状。
然而，虽然基因工程的药物已经被广泛接受，但以类似方式生产的作物却并没有被大众所认同，尽管有大量研究表明这些作物跟其他农作物比起来没有更多的危险性。人们对GMOs （转基因食物） 的愤怒表明了一件事： 如果人们不去吃，这食物健不健康又有什么关系呢。
CRISPR技术可能可以提供一种方法摆脱科学和文化泥潭。从基因重组时代的开始，人们对「转基因」这个词和「GMO」这一术语的定义都是只能在实验室结合而不能在自然界交配产生的DNA物种。但科学家们希望利用CRISPR技术改变的DNA可以对「反对派」起到安抚作用。这项技术给了研究人员直接设计创造基因的能力，而不是从其他物种身上「借」。
例如，黄金大米便是一项转基因工程的结果，其中含有必要的基因以在谷物的可食用部分产生维生素A，这在自然状态下水稻是不会产生的。在发展中国家，每年有大约五十万的儿童因为缺乏维生素A而失明，但是转基因食物的反对派干涉我们的研究并抵制任何商业的水稻产品。利用CRISPR技术，科学家们几乎可以通过改变早已在水稻作物中活动的基因，使转基因水稻达到同普通水稻完全相同的效果。
日本的科学家通过使用CRISPR技术关闭控制作物成熟的基因，延长了西红柿的寿命。通过删除一种小麦基因的三个副本，蔡夏高和他的团队在北京中科院创造出一株可以抗白粉病的小麦。
如果没有规则，这场革命的巨大潜力可能会被恐惧笼罩。
农民们在几千年以来都是通过杂交育种来调整单一作物的基因。CRISP技术仅仅只是提供了一种更加精准的方法来做这件同样的事情。在一些国家，包括德国、瑞典和阿根廷等，监管者已经对转基因食品和通过使用一些例如CRISPR技术来编码的食品进行了明确的区分。已经有迹象表明，美国食品药品管理局可能会效仿该做法，这可能会使CRISPR创造的产品对大众来说更乐于接受，并且比其他形式的基因改良的食物或者药物更容易管理。公众是否会利用这项技术的这些优势还有待继续研究。
CRISPR研究对改善人类医学的潜力将难以估量。该技术已经通过使在实验室更加容易地设计肿瘤细胞来改善对于癌症的研究，然后测试各种药物以探明那些药物可以阻止其生长。很快，医生都可以使用CRISPR技术来直接治疗某些疾病。
例如从血友病患者身上提取出来的干细胞可以在体外进行编码，以此来纠正导致该疾病的基因缺陷。然后变正常的细胞可以重新被注入到病人的血液中。
在未来两年时间里，我们可能看到更令人激动的医学进展。有12万名美国人在等待器官移植，但器官数量从来没能够满足所有人。在这些人得到器官捐助之前，每年都会有数千人死去。更多需要器官移植的人甚至都进不了这个名单。
多年来，科学家们一直寻求以动物器官替代品来缓解供体短缺的问题。长期以来猪的器官都是哺乳动物中的备选品，部分原因可能是因为其器官大小和人类的相似。但是，猪的基因组布满了被称作「PERVs」的一种病毒 （猪内源性逆转录病毒） ，这种病毒和引起艾滋病的病毒很像，而且已经被证实这种病毒可以感染人体细胞。不会有任何监管机构将允许这种易感器官移植到人身上。而且直到现在还没人能在感染这种逆转录病毒后活下来。
如今，利用CRISPR技术编码猪器官的基因组，研究人员似乎已经找到了解决这个问题的办法。由哈佛医学院和美国麻省理工学院教授乔治·丘奇 （George Church） 领导的一个小组使用这个技术去除了猪肾细胞中的所有62项猪内源性逆转录病毒。这是首次一次性排列改变如此多的细胞。
当科学家们在实验室把这些被编码的细胞和人类细胞混合起来，没有任何一个人类细胞被感染。这个研究小组同时也修改了另外一组猪细胞——已知的20个能使人类免疫系统发生反应的基因。这也将是这项移植工作的重要组成部分。
丘奇现已克隆了这些细胞，并且开始在猪的胚胎中培养。他希望在一两年内能开始灵长类动物的试验。如果器官功能正常并且没有被动物的免疫系统排斥，那么下一步就是在人身上试验了。丘奇告诉我将会在18个月左右开始人类试验，并补充说，对许多人来说，反正也是死，还不如试试看。
丘奇一直以来都想找到一种方法来为那些被认为身体状况不适合接受移植的人提供移植方法。「对这个国家的死亡名单上的人来说，能为他们做的就是决定到底谁才能接受移植，」他说，「绝大部分的决定都是基于你还有其他的什么疾病。许多人由于传染性疾病或者药物滥用问题被拒绝——这都是些很主观的借口。而结果就是这些人将不会享受到移植给他们带来的益处。但如果有充足的器官，他们当然会受益，你可以给他们每个人都做。」
黑足鼬是北美洲最濒危的哺乳动物之一。在五十年前，野生动物生态学家就曾不止一次地假设这种在大平原繁盛一时的动物即将灭绝。现在他们在试著接近每一只还活著的黑足鼬，这些黑足鼬都是源于1981在怀俄明米蒂齐附近的一个农场发现的七只黑足鼬当中的一只。
但是这种近亲繁殖的黑足鼬缺乏遗传多样性，这使得该物种更加难以衍生后代。
「这种黑足鼬就是一种可以使用基因技术来拯救的典型例子。」物种复原小组的瑞安·费伦 （Ryan Phelan） 说道，这一小组力求运用改变给予的方法来保护物种。通过与圣地亚哥冷冻动物园的奥利弗·莱德 （Oliver Ryder） 一起努力，费伦和她的同事们正力图通过从两种保存了30年的样本中引入更多可变的DNA到这种黑足鼬的基因组中，增加其物种多样性。
费伦的工作可以化解两项迫在眉睫并且互有关联的威胁。第一就是食物的缺乏： 草原犬鼠是黑足鼬的主要猎物，但都被潜伏在森林中的瘟疫杀死了，这种瘟疫细菌和导致人体鼠疫的细菌是同一类。这种瘟疫对黑足鼬本身也是致命的，一般是在食用患病的草原狗尸体才被感染。1991年研发的对抗人类瘟疫的疫苗似乎给黑足鼬带来了持久的免疫力。鱼类和野生动物服务小队尽可能多地抓捕并给这些黑足鼬 （存在于野外的几百只） 注射疫苗然后放生。但这种黑足鼬之间互相传播免疫的方法并不能拯救这个种群。
凯文·埃斯威特 （Kevin Esvelt） 提出一个更加精准的解决方案，他是麻省理工学院媒体实验室的助理教授，同丘奇一同开发了一些有关CRISPR和基因驱动工程技术。埃斯威特把他的工作描述为雕琢一般。他解释道： 「我们所需要做的就是不断地加力。」通过编码抗体来产生疫苗并最终把这些疫苗编码到黑足鼬的DNA当中。
「基因驱动和CRISPR技术让我们拥有从未想到过的凌驾于所有物种之上的力量。」
埃斯威特认为，类似的方法不仅可以帮助黑足鼬抵御瘟疫，也能够帮助它们消除通常以白足鼠传播的蜱细菌引起的莱姆病。
如果使用CRISPR技术把莱姆病的抵抗因子编码到老鼠的DNA中并传播到野生种群，这种疾病可能会以几乎不可见的生态影响为代价而减少或者消除。然而，埃斯威特和丘奇都坚信，只有公众参与，并且那些实施它的科学家们已经开发了一个反向系统，也就是一种解药，否则这种实验不应该进行尝试。如果初始编码有著不可估计的严重生态后果，他们也可以通过一个种群的「解毒」来把整个实验取消掉。
黑足鼬几乎是唯一一种可以通过CRISPR技术和基因驱动技术来挽救的濒危动物。夏威夷的鸟类数量正在迅速下降，主要是由于一种能够感染鸟类的疟疾在作怪。在补鲸人带回蚊子之前的十九世纪，夏威夷岛的鸟类没有接触过这些蚊子所携带的疾病，因而也就没有免疫力。现在，夏威夷特有的一百多中鸟类只保留下来了42种，而且其中的四分之三被列为濒危物种。美国鸟类保护协会已将夏威夷命名为「世界鸟类灭绝之都」。鸟疟并不是夏威夷本土鸟类的唯一威胁，但如果继续这样下去，这些鸟可能会全部消失，但基因编码可能是最好的阻止继续这样下去的办法。
杰克·纽曼 （Jack Newman） 是阿米瑞斯公司的前首席科学官，阿米瑞斯开创了青蒿素合成的先河，这是目前唯一有效治疗人类疟疾的药物。现在他把注意力集中在鸟类易感的蚊虫携带疾病上。保护鸟类免受疟疾的唯一方法是通过在某一巨大的区域喷洒化学药品来杀灭蚊子，即使这只获得了部分成功。
纽曼说： 「这种杀虫剂必须接触到蚊子才能杀死它们。」这些虫子都是在很深的树洞和岩石缝隙中生存和繁殖。为了能够触及这些虫子，大量的生活在夏威夷热带雨林中的其他生物必然会受到毒害。但是能使蚊子失去繁殖能力的基因编码可以帮助拯救这些鸟类而不破坏其周围的生存环境。纽曼说： 「利用基因遗传学来拯救这些物种，真是一个难以置信而又有针对性的解决各种环境问题的方式。鸟疟正在侵害夏威夷的野生动物，而我们有办法阻止它，我们怎么还会继续坐视不理呢？ 」
在今年二月，美国国家情报总监詹姆斯·克拉珀 （James Clapper） 在他的年度报告中警告参议院： 像CRISPR这样的技术应该被视为潜在的大规模杀伤性武器。许多科学家认为这些评价是毫无根据的，甚至有些极端。对恐怖分子来说相比变出新的作物传播病毒或者致命的细菌，有更加容易的方式来袭击人群。
然而，既然拥有了这些分子工具，还继续假装有害 （包括甚至是意外伤害） 的风险是不存在，也是目光短浅的一种行为。大多数负责提出像CRISPR技术的科学家们认为，当我们开始编码其它物种的遗传基因，很难不去联想到我们人类的基因是不是也能被编码呢？ 而一旦联想到，想再回头就很难了。
当我们在加州大学伯克利分校同分子和生物学教授詹妮弗·道纳 （Jennifer Doudna） 交谈的时候，她问： 「基因编码的意外后果是什么？ 」在2012年，道纳和她的法国同事艾曼纽·夏邦杰 （Emmanuelle Charpentier） 证明，科学家们可以使用CRISPR技术在实验室纯化DNA。「我知道我们对人类基因组的了解，或者对其他物种的基因组了解都不够多，不足以回答这个问题。但不论我们是否充分了解它，人们都会运用这个技术。」
科学推动人类进步越快就越可怕。这句话一直以来都是正确的。在自己身上尝试的生物学已经变为一个事实，很快，就像以前的车库里的人玩业余无线电或初级的电脑，大众运用CRISPR技术的实验也将成为事实。运用这些技术，那些入门的遗传学爱好者就可以改变植物和动物的遗传基因。
但这些技术带来的好处也真实存在，被忽略的它们带来的风险也是如此。每年蚊子给世界各地带来巨大的痛苦，而能够消灭它们所携带的疟疾或其他什么疾病将成为医学界最伟大的成就。不过，很显然利用CRISPR技术来编码人类胚胎还太早了，还是有一些其他方式在不改变我们物种遗传谱系的前提下治愈疾病。
例如，先天萨氏病的新生儿在大脑中缺少一种能够帮助人类代谢脂肪的关键酶。这种病极其罕见，而且是在父母双方把基因缺陷都遗传给孩子的时候才会发生。用CRISPR技术可以很容易治愈父母一方所给的比如父亲的精子，以此来确保孩子没有遗传到两份有缺陷的基因。这样的干预措施显然可以挽救孩子的生命并减少疾病复发的机会。通过体外受精，相同的结果已经可以实现： 植入一个游离缺陷基因的胚胎，来确保孩子不会把这一缺陷传到下一代。
当面对难以预计的风险时，我们有很强的不作为倾向。但是有数百万的生命正濒临险境，不作为本身就是一种巨大的风险。去年十二月，来自世界各地的科学家在华盛顿会面，商讨这些选择的艰难的伦理问题。这很难轻易给出答案，但我们知道的是，在缺乏有力的监管情况下，在还没有人类DNA被编码出来的情况下，这场拥有巨大潜力的革命可能只会被恐惧所笼罩。
「基因驱动和CRISPR技术是我们从未想到过的凌驾于所有物种之上的力量，」斯坦福法律和生物科学中心主任汉克·格里利 （Hank Greely） 说道。「我们能做的潜在好处是巨大的，但我们需要承认，我们是在和一种全新的力量打交道，我们必须找到一种能确保我们正确使用它的方法。但显然我们还没有准备好，而我们输不起。」
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