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专访David Liu:未来还会产生更强大的基因组编辑工具

撰文 | 赵维杰 Kevin T. Zhao(赵天萌) 翻译 | 赵志磊 责编 | 陈晓雪
1987年,大阪大学的研究者在细菌中发现了一种特殊的成簇DNA重复序列;几年内,另外两个课题组也独立发现了相同的现象。但在当时没人知道这些序列的功能。在那之后的十几年中,只有几个研究组对它进行了研究。直到2005年,科学家们才终于揭示了这些被称为“成簇规律间隔短回文重复序列”(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR)的DNA重复序列的功能:CRIPSR与“CRISPR关联蛋白”(Cas)相结合,可以在细菌抵抗噬菌体感染的适应性免疫系统中发挥重要作用。具体来讲,CRISPR序列可以转录为靶向RNA分子,将Cas酶引导至病毒DNA的特定位点并进行DNA切割,从而抵抗病毒感染。
 
科学家们很快意识到,这种天然的细菌免疫系统可以被改造为一种强大的基因组编辑工具。已有的基因组编辑工具,如锌指核酸酶(ZFN)和类转录激活子效用核酸酶(TALEN),都是依赖蛋白质-DNA的相互作用来将酶靶向引导到特定的DNA序列。要想编辑不同的DNA序列,就需要设计、改造和演化出能够与之相互作用的蛋白质,这一过程既困难又费时。与此相对,CRISPR/Cas系统利用引导RNA(guide RNA)和目标DNA之间的“沃森-克里克碱基配对”来把复合物定位到特异的DNA序列上。这个特性让使用者可以简单地改变引导RNA的序列来匹配新的DNA靶标,从而把复合物定位到所需位点。
 
从那时起,无数有天分的科学家进入这一领域。十年之间,他们就把CRISPR/Cas系统发展为强大的基因组编辑工具,并将其应用到微生物、植物、动物,甚至是人类胚胎。美国哈佛大学和博德研究所教授、霍华德·休斯医学研究所研究员David R. Liu(刘如谦)就是其中之一。David对这一领域做出的最重要贡献之一是开发了“碱基编辑”(base editing)方法:把CRIPSR系统从切割DNA的“剪刀”变为了能够改写特定碱基的“修正器”。这项发明打开了精确基因组编辑的大门,为治疗众多单碱基突变造成的遗传病带来可能。在这篇专访中,David谈到了这个激动人心的基因组编辑时代。
 
未来还会有更强大的基因组编辑工具
 
NSR:CRISPR系统在这些年的主要发展有哪些?
 
Liu:在CRIPSR的生物学机制和应用方面,科学家们都有很多重要的发现。其中很多发现揭示了这种细菌免疫系统的天然机制和组份。这些生物学发现又掀起了以各种方式应用CRIPSR系统来操作基因组和表观基因组的热潮,包括切割DNA、碱基编辑、激活或者关闭基因表达等等。
 
在将来,这些领域肯定还会有更多发展。很多专注又有天分的人都投身于基因组编辑领域。在可预见的未来,现有的基因组编辑系统会持续得到优化,新的系统也会不断涌现,给生命科学带来新的可能性。参与相关研究如此激动人心的原因也正在于此。
 
NSR:CRIPSR面临的挑战有哪些?
 
Liu:有些情况下,要把CRISPR精确定位到基因组的正确位置会有困难。另一些情况下,要把CRISPR递送到正确的细胞,尤其是病人或者动物体内正确的细胞中,也有困难。我们还必须更好地理解脱靶效应,需要了解脱靶事件发生后会产生哪些后果。在使用CRISPR治疗遗传疾病患者之前,我们必须确保它是安全且有效的。
 
NSR:那其他基因组编辑工具呢?它们会被CRISPR取代吗?
 
Liu:基因组编辑是一个很广阔的领域。当我们在不同领域,比如农业或者医学领域,进行基因组编辑时,我们常常需要不同的工具来解决不同的问题。没有一个单一的工具可以满足所有应用的需求。如果你的目标是做某一特定类型的点突变,那么碱基编辑器(base editor)有很多优势。但如果你的目标是插入或者剪切一大段DNA,那碱基编辑器就不那么有用了。如果你要编辑人类病人,你需要确保不想要的编辑发生的频率足够低,不致于对病人产生危害。但如果你要编辑植物来育种,那么那些不想要的编辑事件可以很简单地通过筛选一百棵不同的幼株来规避。因此我们总是需要各种工具来最广泛地让社会受益。我认为ZFN、TALEN、CRISPR-Cas9核酸酶、碱基编辑器、表观基因组修饰工具和其他基因组编辑工具都会在这个领域的日益繁荣中持续发挥重要作用。
 
NSR:未来会有更强大的新的基因组编辑工具出现吗?
 
Liu:会的。历史告诉我们,在基因组编辑领域,每一年都会有新的工具出现,来不断重新定义什么是“现有最高水平”。所以很容易就可以预测到,新的基因组编辑工具会不断提高我们的能力,有时是建立在已有工具的基础上。
 
接下来的十年会非常激动人心
 
NSR:这些工具的临床应用进展如何?
 
Liu:你可能知道,CRISPR在一些国家已经进入了人体临床试验。从近期的动物试验结果来看,体外和体内的基因组编辑技术都在治疗人类疾病方面很有前景。这些工具可以代表新一代的医学。对于由遗传因素导致的疾病,它不是治疗疾病的症状,而是从根本上纠正疾病的病因。这是一个非常激动人心的可能性,但也需要非常谨慎地发展,需要全世界科学家、伦理学家和监管部门的共同参与。
 
NSR:基因组编辑疗法何时可以被批准用于普通病人?
 
Liu:如果在未来5年内没有开展很多的临床试验,我会感到非常的惊讶和失望。而临床新药的批准可能在未来的5到10年内发生。最先被瞄准的可能是那些很严重的、造成很多痛苦和死亡、但还没有有效疗法的疾病。接下来的10年会非常激动人心,我们将可以看到CRISPR生物学和基因组编辑工具的发展如何更好地使病人受益。
 
基因组编辑不可能制造出完美婴儿
 
NSR:公众对基因组编辑有很多误解。科学家怎么样更好地和他们沟通?
 
Liu:这是很重要的一点。科学家需要帮助公众理解基因组编辑和CRISPR系统的能力。同样重要的是,科学家应该更好地向公众普及更基本的遗传学知识。我们被问到的很多问题,比如“你们能不能用CRISPR来制造超级聪明或者非常强壮的婴儿?”,都反映了提问者基本遗传学知识的匮乏。
 
并没有一个单独的基因可以决定你的智力。实际上像智力这么复杂的性状可能是上千个基因和环境共同作用的结果。所以在我看来,基因组编辑不可能制造出经过设计的拥有完美智力或者类似特征的婴儿。而且,在人体中开发和测试基因组编辑所需要的精力和资源都非常巨大。如果你有一个得了遗传病的孩子,被诊断出很快就会去世,那这是一个非常严重的问题,人们投入巨量的资源来治疗这样的人群是合理的。但是让人的头发变亮、让人跑得更快或者音乐演奏得更好?我怀疑这些课题可能永远不会成为基因组编辑研究者的目标。
 
NSR:一些研究者已经尝试让动物拥有更多的肌肉。
 
Liu:是的。但这其实是在很多年前就通过育种的方式实现的,完全不需要基因组编辑技术。MSTN(编码肌肉生长抑制素的基因)和其他基因的自然突变让动物拥有更多的肌肉。基因组编辑只是给我们提供了一种更快的方法,来将这些自然产生的突变转移到特定动物体内。
 
在基因组编辑之前,我们使用选择性育种这种原始但有效的方法来操作动植物的基因组的历史已经有几千年了。我希望公众能够明白,有目的地操纵基因,并不是基因组编辑技术带来的新事物。几千年来,人类一直通过选择性育种做着相同的事情,基因组编辑只是提供了更为高效和精确的基因操纵方法。
 
NSR:这些信息怎么可以传递给公众?
 
Liu:当然,科学家能够并且应该找机会直接和公众接触。但我同时认为,政府应该建立机制来确保关于这些重大发展的主要信息能够被公众获知。不止是科学家有义务,整个社会,包括政府,都有义务围绕这些重要问题作出缜密的决定。
 
领域内有太多重要贡献者
 
NSR:你现在的研究兴趣是什么?
 
Liu:我的团队将化学方法和蛋白质演化方法相结合,来研究生物学问题并发展新的疗法。我们有三个大的研究方向。第一是开发和应用基于DNA模版的合成方法,来发现拥有有趣生物学特性的合成小分子和聚合物。第二是开发和应用蛋白质演化方法,包括噬菌体协助的连续演化(phage-assisted continuous evolution,PACE)方法,来让蛋白质演化出研究者感兴趣的生物学特性。第三个当然就是碱基编辑和基因组编辑。所有这些领域都是为了给患有不同疾病,包括遗传性疾病的病人提供新的治疗方法。
 
NSR:酶的定向演化技术获得了2018年诺贝尔化学奖。这和你的研究有关吗?酶的演化技术能否促进基因组编辑技术?
 
Liu:我们团队是融合基因组编辑技术和蛋白质演化技术的。我们使用蛋白质演化来得到TALEN蛋白、CRISPR-Cas9蛋白和碱基编辑器的变体,让它们获得有用的新特性。
 
基因组编辑与酶演化之间有着天然的联系。自然存在的基因组编辑蛋白并没有演化出科学家和医生需要的最佳特性。为了赋予这些天然蛋白质新的特性,让它们更加适用于基因组编辑,我们需要使用蛋白质工程和演化技术来得到这些蛋白更有用的新形式。
 
NSR:每个人都相信CRISPR将在几年内获得诺贝尔奖。这一领域里有哪些重要人物可以成为候选者?
 
Liu:有太多人对这个领域做出了重要贡献,我不太可能在这么短的访谈里把他们都列出来。不过我确实同意这个问题背后的前提,基因组编辑对科学产生了如此颠覆性的影响,并且开始对社会产生影响,它值得一个诺奖。但我也希望人们能够意识到把奖颁给或者不颁给某个发现并不总是和这些发现的重要性相匹配的。
 
注:本访谈文章将收录于NSR"基因编辑”专题(特邀编辑:高彩霞,李劲松)
 
版权声明
本文英文原文于2018年11月23日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR ),原标题为“An exciting time for genome editing: an interview with David R. Liu”,大标题与小标题均为编者加。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。
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