CRISPR/Cas基因編輯療法的前景與倫理爭議

近日，基因編輯療法CTX001被報導，它有望成為治療輸血依賴性β地中海貧血（TDT）和嚴重嚴重鐮刀型細胞貧血病（SCD）患者的潛在一次性治癒性療法。

而上個月，世界首例證實CRISPR/Cas9系統可以有效治療活體動物轉移性癌症的研究發表於Science子刊。

用基因編輯治療各類疾病的研究在不斷推進中，那麼，基因編輯技術是否可以用於臨床治療？使用基因編輯技術還存在哪些問題呢？

2020年10月7日，瑞典諾貝爾獎委員會將本年度諾貝爾化學授予法國的埃曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美國的詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna），兩人因為「開發基因組編輯方法」上重大基礎研究貢獻而獲此殊榮。

2012年兩人首次在著名的《科學》雜誌發表關於CRISPR/Cas基因編輯技術的研究成果，在短短8年摘得諾貝爾化學獎，正式宣告了基因編輯時代的到來。

01新一代基因編輯工具橫空出世

在CRISPR/Cas技術誕生之前，鋅指核酸酶技術和類轉錄激活樣效應因子核酸酶（TALEN）技術，作為第一代基因編輯工具和第二代基因編輯工具，已經展現在整個基因組上精準修飾目標基因的強大功能。

鋅指蛋白, TALEN和Cas9示意圖 來源：Annual Review of Biochemistry

不過，隨著打靶效率更高、脫靶率更低、操作更方便的CRISPR/Cas技術橫空出世，CRISPR/Cas技術迅速成為基因編輯時代最耀眼的「明星」。

CRISPR/Cas技術作用原理示意圖來源：Science

20世紀80~90年代，日本、西班牙等國家的科學家相繼在細菌或古細菌身上發現了一些比較奇怪的DNA序列，後來科學家們將其命名為「成簇的規律間隔的短回文重複序列」，這一連串英文單詞的首寫字母縮寫就是「CRISPR」。

人們發現在約50%的細菌和90%的古細菌中都含有這種序列，而且發現一些總是與其結伴而行、具有核酸內切酶（DNA剪刀）功能的蛋白，科學家們將其命名為Cas蛋白。

到2008年前後，科學家才發現，CRISPR/Cas組合其實是細菌防禦噬菌體攻擊的免疫武器。

CRISPR是細菌用來記錄噬菌體遺傳信息的工具，可以識別入侵病毒的DNA，隨之攜帶的內切酶Cas蛋白將這些病毒的遺傳物質剪除，從而清除掉入侵的病毒。

當然，這一組合在細菌中並不總是管用，用作基因編輯工具更是勉為其難，不過真正讓CRISPR/Cas技術正是杜德納和卡彭蒂耶。

2012年，杜德納和卡彭蒂耶在著名的《科學》雜誌上發布了她們合作的第一篇論文。

在這項研究中，她們給CRISPR加了一個嚮導RNA，讓它更精準地找到目標DNA，同時挑選Cas蛋白家族排行第九的Cas9作為CRISPR的搭檔，並對Cas9蛋白進行了改造，形成了一個新的基因編輯組合CRISPR/Cas9。

Cas可用於程序化地切割和編輯DNA序列來源：Science

隨後幾年，在杜德納、卡彭蒂耶和其他科學家的共同努力下，CRISPR/Cas9基因編輯工具日益完善，成為基因編輯領域絕對的明星，像「風暴」一樣席捲整個生命科學領域。

科學家你追我趕地利用CRISPR/Cas技術對細菌、真菌、植物、動物，包括人類細胞和胚胎進行基因編輯操作，最火熱的當屬基因編輯療法。

CRISPR/Cas技術發展歷史來源：Science

02基因編輯療法如火如荼

在基因治療領域，基因編輯技術主要有三種應用方式。

第一種是對患者身上某些受損的細胞進行基因編輯，然後將這種基因編輯細胞輸回患者體內，讓這些基因編輯細胞治療或替換受損細胞，這一基因編輯療法已針對癌症、白血病、愛滋病、遺傳性眼病等疾病開展了臨床試驗。

有報導稱，從2016年開始，四川大學華西醫院和杭州腫瘤醫院等單位已相繼啟動利用CRISPR/Cas9基因編輯治療癌症的臨床試驗，不過尚未見經同行評議的研究成果公開發表。

2020年2月，《科學》雜誌報導了一項基因編輯療法早期臨床試驗結果。

美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的研究人員對患者自身的T細胞進行CRISPR/Cas9基因編輯，刪除了三個基因，並轉入一個幫助T細胞識別腫瘤細胞的基因，然後輸入三名患者（兩名患有晚期難治性骨髓瘤，一名患有轉移性肉瘤）體內，以增強人類T細胞抵抗癌症的能力。

操作流程示意圖來源：Science

這些工程化T細胞注射9個月後，患者表現出較強的耐受性，顯示該療法具有較好的安全性，但是治療癌症的療效有待更大規模的臨床試驗加以證實。

第二種基因編輯療法是針對遺傳病患者，可對患者的生殖細胞或胚胎進行基因修正，以獲得健康的後代。

目前，中國、美國等國家的科學家已經嘗試對人類胚胎的基因編輯，包括愛滋病相關基因、地中海貧血突變基因和遺傳性「肥厚型心肌病」突變基因等。

由於這種方式存在較大的倫理爭議，目前主要停留在細胞或胚胎操作層面。

第三種基因編輯療法則是利用病毒載體，將基因編輯工具直接輸送到患處，修正突變基因。

據抗盲症基金會網站報導，全球首個活體基因編輯療法臨床試驗將在俄勒岡健康與科學大學凱西眼科研究所實施，該臨床試驗將由美國Editas醫藥公司等機構發起，旨在利用腺病毒載體，將其研發的CRISPR/Cas9基因編輯藥物輸送到約18位萊博先天性黑眼症10（LCA10）患者的視網膜處，以評估該基因編輯療法治療遺傳性眼病的安全性和有效性。

目前，基因編輯技術還在A型和B型血友病、杜興氏肌肉營養不良症、β型地中海貧血症、囊性纖維化病和α1-抗胰蛋白酶缺乏症等遺傳病治療方面展現出巨大的應用前景，不過大多數臨床試驗均是剛剛啟動，療效值得期待。

03基因編輯仍存在倫理爭議

為什麼人們對基因編輯存在倫理爭議呢？

一方面是公眾對基因編輯技術不成熟的擔心，比如脫靶效應，對患者可能造成一些額外的傷害；另一方面則擔心生殖為目的的基因編輯會永久改變人類的基因池，給人類帶來一些不可逆的影響。

基因編輯脫靶主要有兩種原因，一種原因是CRISPR/Cas9識別組件一般可識別20個鹼基的DNA序列，但是這個DNA序列在基因組中可能存在很多類似序列，比如有15個鹼基與靶標序列相同，識別組件有可能將其誤認為靶標序列，從而讓剪切組件對非靶標DNA序列進行了錯誤地剪切，另一種原因是剪切組件剪切時並非「指哪剪哪」，有可能亂剪一氣。

有些非靶標基因突變藏得深、尚「偽裝」，稍不留神，就會讓其矇混過關，可能給患者的健康帶來潛在威脅，無疑也給火熱的基因編輯技術蒙上了一層陰影。

當然，科學家正在努力發明新的技術以檢索儘可能多的脫靶位點，將風險降低到最小。

2019年2月，中國科學院神經科學研究所的楊輝研究員團隊在《科學》雜誌報導稱，該團隊建立了一種高效檢測基因編輯脫靶效應的方法，可檢測最細微的基因編輯脫靶效應。

該方法實驗設計流程來源：Science

因此，通過不斷的技術改進，基因編輯脫靶問題有望得到有效解決。

目前，以生殖為目的的基因編輯仍然是絕對的研究禁區。

2017年8月3日，美國人類遺傳學協會、英國遺傳學護士與諮詢師協會、加拿大遺傳諮詢協會、國際遺傳流行病協會和亞洲遺傳諮詢師職業協會等11個機構，在《美國人類遺傳學雜誌》上聯合發布了一項政策聲明，呼籲「謹慎而積極」地開展生殖細胞基因編輯，認為應繼續推進基礎研究，但反對把這項技術用於生殖目的。

不過，2018年底，來自南方科技大學的賀建奎利用CRISPR/Cas9基因編輯技術獲得了兩個所謂抗愛滋病的基因編輯女嬰，在全球範圍內引起軒然大波，造成惡劣影響，賀建奎也因違反相關法律被判有期徒刑3年，自食其果。

來源：科技部官網

無論如何，基因編輯技術已經在人類癌症、愛滋病和遺傳病等疾病治療上展現出巨大的應用潛力，也受到眾多科學家和投資者的青睞，但是面對倫理爭議，科學家應該謹慎行動，並通過不斷的技術革新，將基因編輯的安全風險降至最低。

參考文獻：

[1]Doudna JA, Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science. 2014, 346(6213):1258096.

[2]Edward A. Stadtmauer，Joseph A. Fraietta，Megan M. Davis et al. CRISPR-engineered T cells in patients with refractory cancer. Science. 2020: 367（6481）, eaba7365. DOI: 10.1126/science.aba7365.

[3]Ma H. et al. Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature. 2017, 548, 413–419.

[4]E. Zuo et al. Cytosine base editor generates substantial off-target single nucleotide variants in mouse embryos. Science. Published online February 28, 2019. doi:10.1126/science.aav9973.

[5]https://www.nature.com/news/leukaemia-success-heralds-wave-of-gene-editing-therapies-1.18737.

[6]https://www.nature.com/polopoly_fs/1.20988.1479924656!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/nature.2016.20988.pdf?origin=ppub.

[7]https://www.dailymail.co.uk/health/article-6744633/First-human-gene-editing-trial-infused-CRISPR-cure-rare-blood-disorder.html.

[8]https://www.fightingblindness.org/research/first-patient-receives-emerging-crispr-therapy-in-clinical-trial-for-lca-10-83.

作者簡介：湯波，中國農業大學分子生物學博士。內容為科技導報新媒體原創，歡迎轉載