從精準(zhǔn)醫(yī)療到分子育種，基因編輯引發(fā)新一代生物技術(shù)革命

導(dǎo)讀

這兩年，基因編輯技術(shù)非常熱門，它不僅是每個(gè)分子實(shí)驗(yàn)室必備的技術(shù)，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的應(yīng)用，包括分子育種、品種改良、基因治療等方面。

今天我們訪談的是湖南師范大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、“瀟湘學(xué)者”特聘教授谷峰老師，谷老師將為我們大家講解基因編輯技術(shù)的應(yīng)用和未來的發(fā)展。

問：您能介紹下基因編輯技術(shù)的應(yīng)用前景嗎？

谷峰：目前基因編輯技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致包括以下幾點(diǎn)：

第一，動物模型，早期只有大鼠、小鼠（小鼠為主）作為動物模型，基因編輯技術(shù)加入后我們能夠做大部分想得到的動物，比如兔子、犬狗、豬。像豬的話，我們就可以做抗病育種研究，比如把某個(gè)基因編輯以后，豬就不會感染某個(gè)病毒，這可以在農(nóng)業(yè)、食品、動物方面應(yīng)用。

世界首例CRSPR/Cpf1基因家兔和豬模型

還有像植物里的分子育種，比如大豆、水稻，我們能想到的植物基本上都可以做基因編輯。所以基因編輯技術(shù)對育種來說是非常重要的。

高油酸大豆

在醫(yī)學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用比較重要的是什么？是治療，包括藥物靶點(diǎn)的篩查。以新冠為例，要知道新冠怎么跟細(xì)胞發(fā)生作用，我們可以把細(xì)胞里的基因敲除掉，看看哪個(gè)基因敲掉以后冠狀病毒就不感染、感染以后無法復(fù)制或者復(fù)制以后不能釋放，只要影響里面任何一個(gè)步驟，理論上病毒的毒性就會下降。

另外一點(diǎn)，我們直接利用工具運(yùn)輸?shù)教囟ǖ募?xì)胞內(nèi)完成基因修復(fù)工作，這里比較重要的幾類疾病包括眼睛中視網(wǎng)膜的疾病，眼睛是免疫豁免的器官，所以注射進(jìn)CRISPR/Cas9等治療性工具，相比之下不容易被免疫系統(tǒng)識別。就像我們相機(jī)的膠卷一樣，把特定細(xì)胞的基因修復(fù)好，理論上膠卷就更好用，拍出的照片就更清楚，同樣地人就能看得見了。

另外還有肝臟的疾病，像高膽固醇血癥，這是一個(gè)非常大類的病，它的危害是很大的，可能會突然引發(fā)死亡，因?yàn)樾难芗膊∥：Υ?、病人群體多。我們?nèi)绻軌虬袻DLR特定基因敲除掉、修復(fù)好，這樣就可以起到治療高膽固醇血癥的作用。當(dāng)然，針對不同的高膽固醇血癥的情況，我們可以做特定的修復(fù)。

還有一大類就是血液系統(tǒng)。血液系統(tǒng)是以地中海貧血為代表的疾病，目前國內(nèi)做得非常好，基本在國際上的應(yīng)用轉(zhuǎn)化屬于第一梯隊(duì)。

這是目前基因編輯里在醫(yī)學(xué)當(dāng)中最主要的幾種疾病。

還有腫瘤免疫，就是利用CAR-T、基因編輯的手段，把特定的分子運(yùn)輸?shù)絋細(xì)胞里，然后實(shí)現(xiàn)腫瘤的特異性清除。

相比之下，它是非常有前景的?？傮w上來說，我們的目標(biāo)是希望最新的技術(shù)應(yīng)用在臨床的重大疾病上，最終解決疾病、滿足臨床的需求。

問：能否介紹下CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)對單基因疾病治療

谷峰：單基因目前最前沿的就是地中海貧血（治療），地中海貧血發(fā)病人群大，并且缺乏有效的治療方法。早期治療方法除了輸血、去鐵，還有就是干細(xì)胞移植。但干細(xì)胞移植涉及到配型，所以這兩個(gè)方法其實(shí)很受限。單基因的罕見病治療不是直接去修復(fù)beta-globin、HBB基因（引起地中海貧血的基因），而是去操縱調(diào)控的序列，去模擬一個(gè)叫HPFH的疾病。這個(gè)疾病癥狀很輕微，可以去操縱它另外一個(gè)基因的啟動子區(qū)域，實(shí)現(xiàn)不表達(dá)bata globin基因和β-珠蛋白。

具體來說，就是把另外一個(gè)其他階段的珠蛋白誘導(dǎo)出來，這樣它就能起緩解的作用。所以目前來說，它的治療效果還算不錯(cuò)。

這種治療方法還有一個(gè)好處，就是使用這種方法能夠糾正疾病里面的任意突變。這得益于前期的發(fā)現(xiàn)——基因是如何調(diào)控的。前人的這些工作對于我們今天的治療工作是非常有用的。

我覺得這種思路對于其他的遺傳病的治療都是非常有借鑒作用的，相當(dāng)于一種藥物能夠把所有不同突變的基因都覆蓋住。

問：多基因的遺傳病基因治療目前情況是怎樣的？

谷峰：多基因的遺傳病幾個(gè)基因都有作用，但是每個(gè)基因可能有不同的貢獻(xiàn)率。理論上來說，多基因治療是可以實(shí)現(xiàn)的。但是目前主要的一個(gè)問題是，很多時(shí)候很難去模擬疾病。比如如果有四個(gè)基因，我們想在小鼠中去做模擬實(shí)驗(yàn)，那么就要把四個(gè)基因同時(shí)變成突變基因，這個(gè)工作量非常大。

另外，每個(gè)基因它都有貢獻(xiàn)。人和鼠的基因能否完全模擬、類比，這是一個(gè)科學(xué)問題。所以，在多基因治療中，目前開展的工作不多，主要原因在于工作開展比較難、（治療）周期比較長。

作為一個(gè)技術(shù)來說，我們首先要做的是在比較容易突破的地方率先突破，然后慢慢地去以點(diǎn)帶面。理論上多基因治療其與單基因治療是非常類似的，但多基因（治療）可能對技術(shù)的研發(fā)和要求會更高。

問：您能否介紹下動植物的品種改良嗎？

谷峰：動物的育種方面，比如豬，豬可能會感染一種叫PERV的病毒。感染之后，豬會引起一種叫豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）的疾病，這個(gè)疾病的危害特別大。

有研究人員把特異性受體CD163基因敲除掉，發(fā)現(xiàn)敲除掉這個(gè)基因后豬可能再也不會感染這種病毒，理論上達(dá)到很好的育種的作用，避免引起整個(gè)養(yǎng)殖場動物的感染。前些年非洲豬瘟，我們做這種特定的（基因編輯）能夠抵抗非洲豬瘟。即使非洲豬瘟病毒傳播開來，豬還是能活下來并且不受什么影響，將基因編輯技術(shù)應(yīng)用到動物育種方面可以大大降低養(yǎng)殖成本。

植物也是一樣的，比如說耐鹽的、耐高溫的、耐寒的或者生長性狀高的，要讓植物產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好，這些都取決于技術(shù)的進(jìn)步。把技術(shù)應(yīng)用到國家需求里去，我們不僅能吃得飽，還能吃得好。

在魚的育種方面，湖南師范大學(xué)的劉筠和劉少軍兩位院士的工作就做得很好。

劉筠（左）和劉少軍（右）院士

問：您能否介紹下動植物的品種改良嗎？

谷峰：動物的育種方面，比如豬，豬可能會感染一種叫PERV的病毒。感染之后，豬會引起一種叫豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）的疾病，這個(gè)疾病的危害特別大。

有研究人員把特異性受體CD163基因敲除掉，發(fā)現(xiàn)敲除掉這個(gè)基因后豬可能再也不會感染這種病毒，理論上達(dá)到很好的育種的作用，避免引起整個(gè)養(yǎng)殖場動物的感染。前些年非洲豬瘟，我們做這種特定的（基因編輯）能夠抵抗非洲豬瘟。即使非洲豬瘟病毒傳播開來，豬還是能活下來并且不受什么影響，將基因編輯技術(shù)應(yīng)用到動物育種方面可以大大降低養(yǎng)殖成本。

植物也是一樣的，比如說耐鹽的、耐高溫的、耐寒的或者生長性狀高的，要讓植物產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好，這些都取決于技術(shù)的進(jìn)步。把技術(shù)應(yīng)用到國家需求里去，我們不僅能吃得飽，還能吃得好。

在魚的育種方面，湖南師范大學(xué)的劉筠和劉少軍兩位院士的工作就做得很好。

問：您能介紹下基因編輯作物和轉(zhuǎn)基因作物的區(qū)別嗎？

谷峰：最早的轉(zhuǎn)基因研究主攻轉(zhuǎn)基因棉花，通過轉(zhuǎn)錄BT基因，讓蟲子無法吃到棉花的葉子，最終結(jié)出抗蟲棉。抗蟲棉的產(chǎn)量很高，而且不需要打農(nóng)藥。在早期的轉(zhuǎn)基因植物中，抗蟲棉是最成功的。

同樣策略我們也可以把基因轉(zhuǎn)到水稻里去。這樣一來，水稻里面會帶有一些外源基因編碼的產(chǎn)物。現(xiàn)在我們做基因編輯的產(chǎn)品，它與轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品會有實(shí)質(zhì)性的差別。

轉(zhuǎn)基因需要把外源的基因轉(zhuǎn)到植物或者動物里面去，并最后會留在基因組里面，這個(gè)外源的基因，顧名思義叫轉(zhuǎn)基因。

但是就基因編輯來說，如果使用RNA和蛋白去作用（農(nóng)作物），我們最后可以測序，通過測序把每一個(gè)堿基都搞清楚，最終外源的物質(zhì)不會殘留在基因組里面，它只起到編輯作用，很快就被降解。

像航天育種，我們把水稻跟著神舟飛船到太空里面“走一圈”，回來以后種子就突變了，突變了以后，我們就可以育種，發(fā)現(xiàn)育出的種子可能口感會更好，這和基因編輯是非常類似的。

基因編輯只起到編輯作用，沒有外源的東西進(jìn)入動植物，通過高通量測序保證每一個(gè)堿基都很清楚，所以這跟轉(zhuǎn)基因是完全不一樣的。轉(zhuǎn)基因會殘留物質(zhì)在動植物內(nèi)部，而基因編輯不會殘留。

所以不管是動物、植物還是微生物，抗病育種、極端條件育種都是可以實(shí)現(xiàn)的。所以，普通大眾可能會對轉(zhuǎn)基因有所顧慮，但是對于基因編輯技術(shù)，理論上只要我們做好對應(yīng)的宣傳，做好相關(guān)的科普，我覺得大家是能接受的。

問：最后您能介紹下基因編輯技術(shù)的未來前景嗎？

谷峰：基因編輯技術(shù)到目前為止，已經(jīng)走過第十個(gè)年頭。早期的工具可能或多或少有一些問題，但目前總體來說，基因編輯工具是越來越精準(zhǔn)、越來越好用、效率越來越高。

當(dāng)然，這并不意味著我們目前的工具已經(jīng)足夠好了，其實(shí)仍然有一些問題?？椿蚓庉嫻ぞ咧饕强醋鍪裁词虑椋热缇腿梭w治療研究來說，我們希望工具是完全精準(zhǔn)的，這就和跳高一樣，之前能跳兩米，我們現(xiàn)在希望能跳兩米一，甚至跳兩米二，再往上壘，這是一個(gè)不斷進(jìn)步的過程。

所以我覺得基因編輯工具的研發(fā)仍然是有需求的。尤其是在臨床級別的基因編輯工具需求是非常強(qiáng)烈的。當(dāng)然，不同的疾病，對工具的要求也有差別。比如腫瘤，腫瘤的治療手段比較有限，治療效果也比較一般，所以腫瘤工具門檻會稍微低一點(diǎn)，只要治的效果比較好、病人比較容易接受，對病人來說就是獲益更大，風(fēng)險(xiǎn)更小。

目前在腫瘤領(lǐng)域，要求并不算很高。但是對遺傳病來說，我們希望越精準(zhǔn)越好。目前，我們的技術(shù)還是能對某些致死性、危害特別大的疾病，可以做到第一批的（治療）工作。

文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

團(tuán)隊(duì)/作者：深究科學(xué)

審核：陶寧 中科院生物物理所 副研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司