强大的基因编辑技术将改变医学——如果我们能控制它。现在我们可能有办法了。

打开网易新闻 查看精彩图片

有一种技术可以解决生活中一些最紧迫的问题,从疾病到营养不良。它可以简单地通过改变几个基因“字母”,来治疗囊性纤维化和血友病等人类遗传病。它可以通过使雄性蚊子不育来消灭疟疾,或者消灭破坏农作物的害虫。它还可以改变其他生物以增进产量或口味,让我们能吃到更美味、更有营养的食物。这就是基因编辑技术CRISPR带给我们的美好前景。

强大的基因编辑工具

CRISPR并非单纯的人类发明,其雏形早就存在于大自然中。它是 细菌 病毒 进行斗争的武器。简单地说,当病毒想把自己的基因嵌入到细菌的DNA上,想搭细菌的便车为它复制基因的时候,细菌进化出CRISPR,将外来的病毒基因切除,从而达到保护自己的目的。

CRISPR事实上是细菌基因组上的一段序列。它含有过去 噬菌体 (一种专门感染细菌的病毒)入侵时留下的DNA片段。当这种噬菌体再次入侵时,细菌会产生CRISPR的RNA拷贝。这些RNA拷贝随后与一种叫做Cas的酶结合,就成了细菌的有力武器。RNA拷贝相当于核查员,Cas相当于一把剪刀。在细菌DNA复制的时候,“核查员”拿着“剪刀”,仔细审查细菌DNA上有无新近插进去的与之匹配的噬菌体基因,一旦发现,就挥动“剪刀”切除,让噬菌体没法搭细菌的便车复制、繁殖。可以说,CRISPR是细菌对过去攻击过它的病毒的一种记忆,使它对同样的攻击产生免疫力。

打开网易新闻 查看精彩图片

这一发现为两位女性生物学家赢得了2020年的诺贝尔奖。她们发展了一套被称为CRISPR-Cas9的基因编辑工具。有了它,我们就可以对任何一段DNA序列进行精准切割,切除一个有缺陷的基因,换上一个新的。

CRISPR自发现以来,获得科学家的普遍青睐。在实验室,CRISPR-Cas9已经多次成功地用于对细胞进行基因编辑。然而,如何确保CRISPR只在我们感兴趣的DNA片段上进行编辑,这依然是个大难题。虽然CRISPR是相对简单的剪辑活儿,但需要假借细菌之手来完成,而且剪辑的内容不是文字,是关乎生命的基因,这就不能不让人担心:剪辑出错了怎么办?如果在不该剪辑的地方剪辑了呢?如何控制它,在该停的时候就停?

特别是,CRISPR这位“核查员”相当灵活,哪怕发现与目标相似但不完全相同的序列,也会下手切割。这就偏离了目标,可能带来有害的后果。因此,CRISPR-Cas9用于治疗遗传疾病存在一定的风险。

因此,研究人员花费了数年时间,一直在寻找一个可以随意控制CRISPR的开关。然而,意想不到的是,他们要找的东西就在我们眼皮底下:病毒的anti-CRISPR就是控制CRISPR的最好开关。

控制基因编辑很重要

前面提到,CRISPR是细菌对付噬菌体的武器,然而,CRISPR并不总是有效的。2012年,美国加州大学的微生物学家约瑟·邦迪-德诺米将噬菌体与携带CRISPR的细菌放在一起时发现,尽管一些噬菌体被消灭了,但还是有一些噬菌体出人意料地活了下来并且成功感染了细菌。原来这些噬菌体的成功依赖于一种 蛋白 质,这种蛋白质可以通过粘附在CRISPR的“剪刀”——Cas上,并使其钝化来阻止细菌的CRISPR发挥作用。因此之故,这种蛋白后来叫anti-CRISPR蛋白(简称Acrs蛋白)。在噬菌体DNA上,负责合成Acrs蛋白的基因,叫Acrs基因。

打开网易新闻 查看精彩图片

于是,细菌和噬菌体陷入了一场军备竞赛。细菌利用CRISPR来削弱噬菌体,而噬菌体又利用anti-CRISPR来破坏细菌的防御系统。但这里有个问题:为什么在同一场战争中,有的噬菌体会被消灭,另一些却能活下来并最后夺取胜利?

这是一场与时间赛跑的战争。科学家为我们还原了现场:一旦噬菌体将其基因注入细菌体内,其中的Acrs基因就开始利用细菌来制造Acrs蛋白,但这需要时间。相比之下,细菌现成的CRISPR也同时开始消灭噬菌体。这就看谁的速度更快一些了。噬菌体在自己被消灭之前会多少制造出一些Acrs蛋白,这些蛋白会部分抑制其防御系统。同理,下一个入侵的噬菌体也有可能在被消灭前,又制造出一些Acrs蛋白,使细菌的防御系统进一步被削弱。只要这些噬菌体量足够多,前仆后继,最后总能将细菌彻底击败。这就好比下一波士兵踩着上一波士兵杀出的血路,最终攻下了敌人的阵地。

在这场你死我活的战斗中,关键的是噬菌体的anti-CRISPR可以使细菌的CRISPR失效,而这恰恰是生物学家梦寐以求的控制CRISPR的手段!

可随意控制的开关

起初,邦迪-德诺米没意识到他的发现的重要性。因为当时CRISPR也才发现不久,没有人考虑如何去控制它的问题。他继续研究Acrs,在一系列其他噬菌体中也发现了Acrs基因和蛋白。

2016年,邦迪-德诺米和他的同事将CRISPR-Cas9送入人类细胞,让其在某个位置剪除某个基因,一定时间之后,又送入Acrs蛋白,让其关闭CRISPR-Cas9。这个实验获得成功。

随后,研究人员干脆把编辑工具CRISPR-Cas9基因和控制开关Acrs基因捆绑在一起使用,形成CRISPR-Cas9-Acrs。对于这个Acrs基因,实验人员可以先设置它的状态为“沉默”或者“激活”,然后根据需要,在适当条件下使其切换到另一种状态,通过这种方式来控制Acrs。

譬如,科学家先让Acrs基因处于“沉默”状态,于是CRISPR-Cas9-Acrs行使着编辑的功能,然后通过光照,激活Acrs基因,于是基因编辑就停止了。这样,就可以控制CRISPR编辑的时间,因为时间越长,出错的风险越大。再比如,科学家先让Acrs基因处于“激活”状态,设置它仅当在肝细胞中,才切换到“沉默”状态。这样,他们就可以让基因编辑限制在肝细胞中。通过控制CRISPR编辑的地点,也可以降低风险。

总之,anti-CRISPR是继CRISPR之后,又一个方兴未艾的领域。掌握了anti-CRISPR这个控制手段,科学家在挥动CRISPR这把基因编辑“剪刀”时,将会更加得心应手。CRISPR允诺给我们的好处,也更加有保障。

拓展阅读:进化的军备竞赛

正文中提到,细菌通过CRISPR来对付感染它的病毒,而病毒又反过来通过anti-CRISPR来反击细菌,而且反击几乎总能成功。那么,既然如此,为什么自然选择还会让CRISPR继续存在呢?

这是一个进化上的难题。一种可能是,在某些情况下,CRISPR仍然能有效地对抗病毒。正文中已经提到,当病毒数量少的时候,CRISPR可以在病毒激活它们的anti-CRISPR之前,就能将其消灭。仅当病毒蜂拥而至,前仆后继地进攻时,防线才会被攻破。所以,它对于少量的病毒,还是有效的。

细菌进化出CRISPR可能花了数千万年时间。我们相信,在生存的军备竞赛中,细菌将针对病毒,继续进化出新的防御机制,而病毒呢,也将进化出新的反击方式。