拿下諾獎之後,Crispr基因編輯技術的下一步是什麼?

北京時間3月4日消息,當去年的諾貝爾化學獎被頒給生物化學家詹妮弗•杜德納和微生物學家埃馬紐埃爾•卡彭蒂耶,獎勵她們在基因編輯技術Crispr-Cas9領域所做的工作時,新聞報道紛紛將她們的發現譽為能夠「重寫生命之書的分子剪刀」。雖然這種能力難免與許多復雜的道德倫理問題掛鈎。不過,人們的興奮之處其實與「設計嬰兒」關系並不大。Crispr技術的真正應用前景在於治療由基因變異引起的疾病,如肌肉營養不良症、先天性失明、甚至某些癌症等等。

拿下諾獎之後,Crispr基因編輯技術的下一步是什麼?

圖為埃馬紐埃爾•卡彭蒂耶和詹妮弗•杜德納

第一批運用Crispr療法的人體試驗已在進行中。研究人員希望能盡快將該技術應用於臨床治療。杜德納也表示:「Crispr研究的進展速度着實驚人。」

心髒病、阿爾茨海默症和糖尿病等多種常見疾病在一定程度上都是由基因導致的:如果某人遺傳到了特定基因的「錯誤」變體,就更容易患上這些疾病。在這些疾病中,許多都涉及多種基因,因此情況十分復雜。但其它疾病(如囊腫性纖維化)可能僅由一個或少數幾個基因的功能異常引起。這些疾病或可通過基因編輯徹底治癒,只需用健康的基因變體替換掉錯誤基因即可。

自科學家從上世紀70年代開始學習編輯基因以來,這種「基因療法」就一直是他們追逐的目標。但該技術始終未達到人們的預期,因為我們的每個細胞的DNA中都含有約21000個基因,要想對其中一個基因進行編輯,難度自然很大,需要藉助非常精確的工具找到目標基因、從該點切斷DNA、再將一個新基因(或基因碎片)固定到該位置上。

生物學家早在數十年前便學會了編輯基因,但技術還不夠精確,不足以實現安全的臨床應用。假如編輯基因時動作不夠准確、或不可逆地改變了其它基因,就可能造成致命後果,特別是癌症這種由基因突變引發的疾病。

但Crispr技術可以徹底改變這一局面。該技術使用了一種名叫Cas9的酶分子,最早發現於細菌體內,可以通過「編程」找到目標基因。該分子會攜帶一片與DNA目標點序列相同的RNA。一旦找到與這段RNA參考鏈匹配的DNA序列,Cas9便會將DNA的雙螺旋結構一剪為二。接下來,其它酶便可向其中插入另一個DNA片段,即將「健康」的DNA序列編入原DNA的缺口之中。

杜德納、卡彭蒂耶等人於2012年首次發布了Crispr系統。自此之後,由於它可以極大提高基因編輯的准確性,對生物基因組進行定製化編輯迅速成為可能。只要敲除或修改特定基因,便可推斷出它們的作用和效果。

Crispr技術也使得基因編輯能夠更好地運用於醫學領域。杜德納指出,研究人員正在先從那些只需「對某個易於瞄準的細胞或組織中的單個基因進行簡單修改」的疾病着手。她還補充道,由於這種方法較新、成本較高,因此優先研究暫無其它療法的疾病是很合理的。

一些血液疾病(如鐮刀型細胞貧血症和β-地中海貧血症)就很符合上述條件。鐮刀型細胞貧血症是由於血紅蛋白基因發生突變、改變了細胞形狀,導致血液流動出現問題。去年,在美國田納西州的一家醫院里,一位名叫維多利亞•格雷的女性成為了第一位接受Crispr實驗療法治療鐮刀型細胞貧血症的患者。研究人員從她的骨髓中採集了干細胞,然後在體外進行治療,修改了其中一個與血紅蛋白合成相關的基因,最後再將干細胞移植回患者體內。從目前來看,這次治療似乎取得了成功:格雷再也不用像之前那樣定期輸血或住院了。

格雷目前正在參與基因編輯公司Crispr Therapeutics 與生物制藥公司Vertex Pharmaceuticals在波士頓聯合開展的鐮刀型細胞貧血症及β-地中海貧血症Crispr治療項目。但杜德納提醒,早期療法一定會相當昂貴。降低治療費用正是她在伯克利創立的創新基因組研究所的主要研究目標之一。「如果找到了鐮刀型細胞貧血症的治療方法,卻無人負擔得起,那麼這絕非該問題的解決之道。」

伯克利生物工程師尼倫•莫西指出,Crispr技術的一大吸引力在於,它可以一次性解決問題。只要接受治療,基因就可徹底修復,不必每隔幾月就跑一趟醫院。不僅如此,基因編輯無需特別高效便可達成目的。「就鐮刀型細胞貧血症而言,只需糾正患者5%的干細胞中的突變基因,就足以產生積極的臨床效果了。」杜德納指出,「當然,我們追求的目標遠不止於此。我們越是有的放矢,治療效率就越高。」

治療這些疾病的一大優勢在於,Crispr系統很容易被部署到血液中去。而在編輯其它組織時,藥物則多了一道屏障,需要通過血液才能進入組織細胞。如果只是將藥物分子注入血液,它們很快便會被身體免疫系統降解。因此最好將這些分子裝入某種微型載體之中,比如合成顆粒、或失活病毒(新冠疫苗的活性成分就是通過這種途徑輸送的)等等)。但這些載體體積往往過大,難以穿越細胞膜、進入組織。「藥物輸送是個很棘手的問題,」莫西指出,「誰要是解決了它,一定能為疾病治療開啟更多機會。」

還有一些研究人員希望Crispr技術可以用於抗癌。例如,我們也許可以利用基因編輯強化免疫系統,從而更好地摧毀腫瘤細胞。這種癌症免疫療法已經展現出了巨大潛力。但杜德納表示,「Crispr技術可以進一步提高該療法的效率或有效性。其基本原理是對患者T細胞(一類對免疫響應至關重要的白細胞)進行編輯,然後將其移植回患者血液中,讓它們能夠更好地識別和攻擊癌細胞。」

2016年,Crispr強化肺癌免疫療法的首次人體試驗在中國開展。也有人嘗試過用這種方法治療某些類型的血癌與骨癌。但要說療效如何,現在還為時過早。還有一種途徑是藉助Crispr使癌細胞本身失活,可如何讓基因編輯工具進入腫瘤內部也是一項挑戰。但莫西指出,對於白血病等血癌,這一問題就不存在了。

動脈粥樣硬化(中風和心髒病的成因之一)是Crispr的另一重要目標。有些人由於基因問題,細胞合成的PCSK9蛋白質過多,導致一種名叫低密度脂蛋白膽固醇的分子無法分解。該分子在體內水平過高會導致動脈硬化,或可引發心力衰竭。

膽固醇分解是在肝髒中進行的,而肝髒恰好是少數幾個已經研製出對應藥物輸送載體的組織之一。因此,與PCSK9蛋白相關的動脈粥狀硬化成為了Crispr療法的理想目標。去年,位於美國馬薩諸塞州劍橋市的生物科技初創公司Verve開始針對這一療法開展試驗,將人造脂質微粒作為載體,將基因編輯分子送入肝髒。與此同時,另一家位於劍橋市的公司Intellia也在探索針對鐮刀型細胞、血友病和某些罕見心髒遺傳病的Crispr療法。

而同樣位於劍橋市的基因編輯公司Editas則與愛爾蘭都柏林的艾爾建公司合作開展了一項試驗項目,運用Crispr技術治療兒童遺傳性失明中最常見的一種形式——LCA10。與之前介紹的鐮刀型細胞與癌症療法不同,這一療法是將Crispr置於病毒體內,然後直接注射到眼睛中。杜德納指出,眼睛是很好的治療目標,因為它的一些特定性質可以減少基因編輯出現副作用的可能性。「我們會從此次試驗中學到很多。期待能早日看到試驗結果。」

莫西目前正在研究一種針對杜氏肌肉營養不良症的Crispr療法,這是肌肉營養不良症中最常見、也最嚴重的形式之一。它是由一個負責合成肌營養不良蛋白的基因發生突變引起的,會導致肌肉纖維逐漸萎縮,最終造成殘疾和死亡。但他猜測,Crispr療法也許能最先在神經性遺傳病領域(如亨廷頓舞蹈病)得到廣泛的臨床應用,因為腦組織比肌肉更容易編輯。

治療不同疾病也許需要不同類型的基因編輯。最簡單的方法便是破壞某個基因、使其失去功能。當Cas9將DNA鏈剪開時,細胞的DNA修復機制並不會簡單地將剪開的兩段重新結合在一起,而是會從兩側斷口剔除一小部分片段,就像是清理參差不齊的斷口一樣。因此,重新結合後的基因一般來說就沒用了——而這恰恰是我們需要的結果。不過相比這種「簡單粗暴」的方式,有些基因編輯工作則需要用到更精確的「分子手術刀」。

「對大多數遺傳病來說,我們都需要進行精確地糾正基因,才能更好地造福患者,而非破壞基因。」美國麻省理工與哈佛大學博德研究所的David Liu(劉如謙)表示。過去幾年間,他研究出了一種利用Cas9精準修改單個鹼基的方法。就像鐮刀型細胞貧血症一樣,有時僅僅是一個鹼基出錯,就會導致危險的基因突變。劉如謙的「鹼基編輯器」使用的Cas9經過了修改,可以通過編程找到目標DNA,但不會將其切開,而是會與其它分子協同替換掉目標位置上的單個鹼基。

劉如謙和同事們正在嘗試用他們的鹼基編輯器治療一種名叫兒童早衰症的疾病。該病由核纖層蛋白A基因突變導致,患病兒童會迅速衰老、最終死亡。這也是由於單個鹼基變化引起的,但其產生的變異蛋白質會破壞體內幾乎所有細胞。在這種情況下,僅僅破壞突變的核纖層蛋白A基因是不夠的,因為其產物不受控,仍可造成致命後果。因此必須對出錯的鹼基進行精準糾正才行。

劉如謙的團隊已經在經過基因修改、攜有人類核纖層蛋白A突變基因的小鼠身上嘗試過了這種療法。受試小鼠年齡為14天,約相當於人類的五歲。結果發現,這些小鼠成功活到了正常小鼠開始步入「老年」的年紀,遠遠超出了之前的治療水平。

劉如謙表示:「就在五年之前,『運用經過編輯的分子機器、一次性糾正動物體內引發致命遺傳病的單個鹼基對』的設想似乎還像科幻小說般異想天開。」他的團隊目前正在與馬薩諸塞州劍橋市的Beam Therapeutics公司及Verve公司合作,研發在人類身上開展臨床應用所需的基因編輯工具。Verve公司也在運用鹼基編輯器開展針對粥樣動脈硬化的研究。

盡管莫西認為,Crispr療法還需至少五到十年才能廣泛投入臨床應用,但杜德納表示,「Crispr基因組編輯技術被全世界研究者接納的速度快得驚人」。她指出,臨床試驗一般都會花上很長時間,因此「如今已有鐮刀型細胞貧血症患者得到治癒,這一點着實令人在吃驚之餘感到喜出望外」。(葉子)

來源:cnBeta