看热闹与看门道:为你全面解读CRISPR技术

今日刷屏新闻当属中国拔得运用CRISPR开展临床试验的头筹——华西医院将于8月份开展利用这一技术治疗转移性非小细胞肺癌患者的临床试验。「全球首例」体外基因改造应用的意义让行业内外众人欢欣不已,一场即将开始的对癌细胞的绞杀行动缘何吸引诸多目光?热闹之余,基因君採访了华大基因致力于基因编辑研究的团队,带你看看基因编辑的门道。

基因编辑为什么这么火?

最近几年,业内对于基因编辑的探讨和实践如火如荼。基因编辑并不是一项新技术,对生命科学来说,它已经很古老了。「简而言之,基因编辑能将物种DNA换成我们想要的。」假设上帝编码了所有物种的DNA,每个物种的生命都是一个特定程序,ATCG就是代码。通过人类基因组计划,我们读取了人类的生命代码,了解了一些代码的意义。能「读」了之后,研究者们就想知道是否能改变代码,比如让小麦具备抗逆性,消灭人类疾病。「这是我们想做的事情。」

韩序博士介绍。

严格地说,最早的基因编辑技术出现在对模式生物的研究中,当时人们发现如果将你感兴趣的DNA序列导入酵母细胞或是小鼠胚胎干细胞中,可以通过同源重组的方法敲除或是定向修改目的基因。但是这个技术的效率非常低,如果想在人类细胞中利用这个技术进行同源重组的置换,其效率大约只有一百万分之一。如果是运用这个方法来做基因编辑,研究者用一辈子的时间才可能获得一个成功的编辑细胞。

2000年左右技术上有了进步,有研究者发现了基于核酸酶、将编辑效率提高1000倍的方法,但这样的酶应用非常受限。此后相继出现ZFN、TALEN技术,终于实现了基因组上的定向剪切,使得同源重组的效率大大提高,真正意义上的基因编辑技术发展了起来。到了2012年,Doudna、Charpentier等人发现的CRISPR/Cas9技术,极大地推动了基因编辑的发展。CRISPR作为第三代基因编辑技术,现在几乎已成为基因编辑的代名词。

CRISPR技术近年来大热的原因正是其易用性,其使用RNA作为核酸酶的向导,大大降低了基因编辑的门槛。「曾经我运用CRISPR技术一周内做了10个基因的CRISPR的载体,一个月内可以拿到编辑过的细胞。」韩序提到,CRISPR能用来研究信号通路,了解基因表型的作用,不仅可以作为科研工具,还可以应用在人类健康相关领域。

基因编辑还在起步阶段

华大基因基因编辑部门主任王健博士认为,对于基因组学的应用而言,基因编辑技术还处于工具研究的初期阶段,并以影像学为例做形象说明。她指出,X光、B超、CT、MRI帮助我们了解身体内部结构,DNA双螺旋结构的发现和测序技术的发展,让我们了解遗传信息并用其造福人类成为可能。

影像学推动了外科发展,基因组的研究工具与技术则支持了基因组学应用发展。目前,基因编辑技术处于起步阶段,只在遗传信息有一部分的应用,未来还会扩展到RNA编辑、表观遗传调控等方向。如果和影像学的发展类比,目前的基因编辑就像还处在影像学的B超、X光时期,CT、MRI还没有开发出来。但以后一定会研究得越来越深入。」

「生物学工具是互相影响的,我们不是扮演上帝,只是不断用发现来解码生命。」

基因编辑的临床应用前景

在罕见病和肿瘤方面,基因编辑能发挥很大的力量。目前美国基因编辑研究者对遗传病(尤其是单基因遗传病)、肿瘤方面的研究较多,这也是最明显的应用点。比如有的罕见病人因缺少了一个酶,而不能见光,只能在夜晚行动。如果把突变位点改回去,病人就能恢复健康。在肿瘤方面,免疫治疗的重要技术Car-T通过修改病人的T细胞,使之特异性识别肿瘤细胞进行清除,能有效治疗白血病。这个过程中可以引入CRISPR技术,通过它来改T细胞,给T细胞加一个「眼睛」,让它能够「抓住」肿瘤细胞。

如今,基因编辑技术的临床应用已初见曙光。「接下来几年大家会受到基因编辑的一波冲击,我们也在加班加点地努力,虽然比较累,但工作热情很高。」韩序说道。

精准医学的「精准」助手

康滨博士说,「我父母的很多朋友谘询我,得了晚期胃癌、结肠癌该用什么药,其实目前针对肿瘤,我们能做的依然有限。」肿瘤治疗的困难,一是有的突变基因没有合适的靶向药物。EGFR抑制剂是治疗常见肿瘤的有效方法,如肺癌、结直肠癌、胃癌等常见癌症是带有EGFR变异的,「我们可以根据变异基因型来寻找靶向药物。但不能预期每一个病人都携带这几种突变,携带了其他基因突变的病人,现有靶向药物就不适用了,只能用传统方法来治疗。」另一方面,靶向药物有一定副作用,不能同时给几个靶点的药物,但单一靶向药物治疗很容易复发,因为携带抗药突变的肿瘤细胞会存活并增殖。

在目前情况下,基因编辑技术是解决这一困境的有效方法。精准医学将推动靶向药物的研发,基因编辑将在靶向药物和治疗技术的研发中起到关键作用。

华大的基因编辑平台发展状况

和张锋、JenniferDoudna、Emmanuelle

Charpentier等主导的致力于开发工具的实验室不同,也不同于国外一些专注于机制性研究的机构,华大的基因编辑平台利用基因编辑的高效性,做不同领域、不同物种和方向的应用研究。「目前基因编辑技术的靶向性非常高,在动物研究中能实现把肺癌EGFR抗药突变改回去,令治疗药物再次起作用。这也是一项不断追求完美的工作,业内从未停止过增强靶向性的研究,华大基因也在用自己的方法来提高靶向准确率。」

公众有权知道客观正确的科学知识

王健认为,公众现在对转基因、免疫治疗等概念有偏见,需要媒体向公众传递正确的科学知识,公正客观地为民众提供有效信息,同时也希望基因编辑技术的发展环境是规范、有序的。「业内人士都很关注国际上的监管机制,也欢迎国内相关机构加强监管。」

对于曾被热议的魏则西免疫治疗事件,她建议加强监管,但不要因噎废食。「我们之前做了统计,已申报正在进行临床试验的免疫治疗,美国有64项,欧洲、日本大概有几项,中国约有34项。从现在做的临床试验来看,中国没有落后太远。我国的癌症患者很有机会接受国际水平的治疗方法。业内对免疫治疗在癌症方面的作用很看好,它是把癌症变成可控的慢性病的过程中很有希望的一步,我国自主研发的药物和疗法可以降低国内人的医疗费用。」

医疗和农业是基因编辑在未来最能发挥所长的领域。不远的未来,基因编辑技术可能会使基因诊断和基因治疗成为一种闭环的服务,我们或将通过检测全基因组的方式来体检,发现问题后,整合有效的工具进行基因治疗、细胞治疗,将无法治癒的疾病变成能够长期控制的慢性病。在农业领域,可能出现很多具有优良性状的新品种,在伦理允许的范围内做宠物育种,培育各种观赏鱼,改良生态环境。

科技的发展同样是戴着镣铐跳舞的过程,不妨继续关注基因编辑的「优美舞姿」。未来人类究竟会收获怎样的惊喜,我们一起拭目以待。

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