渡边大辅正谈创新创业,第105期《深度解读:贺建奎与“基因编辑婴儿”前生、今世》 王-王正谈创新创业

作者:admin 发布时间:2017-11-22 分类:全部文章

正谈创新创业,第105期《深度解读:贺建奎与“基因编辑婴儿”前生、今世》 王-王正谈创新创业
全文4801字,内容相对枯燥,建议休息前阅读。
事件背景

争议科学家-贺建奎
2018年11月26日,南方科技大学副教授贺建奎宣布一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于11月在中国诞生,由于这对双胞胎的一个基因经过修改,她们出生后即能天然抵抗艾滋病病毒HIV。这一消息迅速激起轩然大波,震动了中国和世界。
2018年11月26日,国家卫健委回应"基因编辑婴儿"事件,依法依规处理。11月28日,国家卫生健康委员会、科学技术部发布了关于“免疫艾滋病基因编辑婴儿”有关信息的回应:对违法违规行为坚决予以查处。
什么是“基因编辑婴儿”
“基因编辑婴儿”指通过基因编辑技术修改人体胚胎、精子或卵细胞细胞核中的DNA(脱氧核糖核酸)后生下的婴儿。贺建奎团队先对精子进行清洗,通过辅助生殖技术实现人类胚胎的体外受精,随后采用CRISPR-Cas9基因编辑技术对受精卵的CCR5基因进行编辑,再将其植入母亲子宫。CCR5缺失的个体拥有正常的免疫功能和炎症反应,能对多种病毒感染表现出显著的抵抗力,对CCR5进行基因编辑或将有效阻断霍乱、天花或艾滋病的感染。
然而,这一切并不是贺建奎的独创,贺建奎只是把他人的研究成果具体化,说白一点就是“变成人”。那么围绕“基因编辑”的本源来自哪里,中间又有哪些有趣故事,本期我尝试总结一些资料与各位交流?
基因编辑初始
1991年,纽约冷泉港实验室詹姆斯·沃森在他的办公室对记者说道“许多人曾经表示冯韵娴 ,他们对于人类的遗传指令发生改变感到担忧。但是这些遗传指令只不过是进化的产物,它们可以让人类适应某些现在已经不存在的环境。我们都知道人类并不完美,那为什么不让我们更好的适应生存环境?”,“这就是我们要做的事情”这也是沃森开始的想法。

DNA双螺旋结构发现者、诺贝尔生理学或医学奖得主、美国科学院院士詹姆斯·沃森;图片来自网络
20世纪80年代末期,我们“使自身日趋完善”的遗传学手段还非常有限,目前重塑人类基因的唯一方法就是在子宫内对胎儿进行鉴定,然后发现那些有害的高外显率基因突变后终止妊娠。到了20世纪90年代胚胎植入前遗传学诊断可以让患者选择移植没有致病变的胚胎,并且用选择生命来替代终止生命的道德困境。在此过程中,人类遗传学家仍将严格遵守三项限制原则:高外显率基因、极度痛苦与非胁迫下的合理干预。
20世纪90年代末期,基因治疗的出现改变了讨论的主题:现在人们可以对于基因进行定向改造。这也标志着“积优生学”东山再起。科学家终于摒弃了消灭有害基因携带者的想法,他们开始憧憬矫正人类基因缺陷的未来,目的就是为了让基因组“日趋完善”。
从概念上讲,基因治疗可以分为两种截然不同的类型。第一种类型是对非生殖细胞(血液、脑或肌细胞)的基因组进行修饰。虽然这些遗传修饰会影响细胞的功能,但是并不会改变人类下一代的基因组。如果将某种基因变化导入肌细胞或血细胞,那么这种变化并不会传递给人类胚胎。当宿主细胞死亡时,上述基因也将随之消失。

动物细胞的DNA被层层叠叠的膜结构保护着。图片来源:Mariana Ruiz/commons.wikimedia.org
相比之下田弘光,第二种类型的基因治疗则显得更为激进,它可以通过修饰基因组来影响生殖细胞。只要基因组变化被导入至精子或卵子这种人类生殖细胞后就可以自我复制,它将被永久整合到人类基因组中并且代代相传下去,而插入的基因会成为人类基因组密不可分的一部分。贺建奎和他的团队干的事情就是属于这一种秋凤梧。
这在20世纪年代末期,人们简直不敢想象还能够利用生殖细胞开展基因治疗:当时还缺乏将基因改变导入人类精子或卵子的可靠技术,而且还有鲜活的人类(杰西·基辛格)饱受失败的痛苦。这项技术也被迅速的叫停,生物公司开始倒闭、科研人员开始转型。而那个时候失败的实验让曾经辉煌的基因治疗全军覆没,最终给该研究留下了一道永恒的伤痕阳萌。科学家们仅仅是在憧憬美好的未来,而他们并未准备好面对灾难性的结局。
基因编辑三步走
科学继续在发展,对这个领域的探究从未停止过疯狂。但是如何才能通过改变生殖细胞来永久性地修正人类基因组,并且借助“生殖细胞基因治疗”实现人类遗传学的终极梦想呢?如果创造出“后人类”或“转基因人类”(例如基因组被永久修饰的人类胚胎)又会怎样呢?到了20世纪90年代早期,永久性人类基因组工程所面临的挑战只剩下最后三项。然而目前对于人类基因组工程来说,最严峻的事实并非要不可以,他们已经成为迫在眉睫的危机。
第一步,
第一项挑战就是要建立可靠的人类胚胎干细胞系。胚胎干细胞从早期胚胎的囊胚内细胞团中提取出的干细胞,改变胚胎干细胞基因组就可以轻而易举地实现永久性改变生物体基因组的目标:如果胚胎干细胞基因组能够被定向改变,那么这种基因改变有可能被导入至胚胎中,随后又将进入有胚胎形成的各种器官并遍布整个生物体。因此,对胚胎干细胞进行遗传修饰是实现生殖细胞基因组工程的必经之路。

威斯康星大学,图片来自网络
而这个阶段最为著名的就是来自美国威斯康星大学胚胎学专家詹姆斯·汤姆森。1996年他获得许可后,金恩荣他从体外受精诊所获取36个人类胚胎,渡边大辅在实验中汤姆森发现存在明显的局限性:这些胚胎干细胞几乎能够形成全部人体组织,但是它们在转化为精子与卵子等组织时效率却非常低,里面最重要的生殖细胞却不受胚胎干细胞基因改变传递。之后美国、中国、日本、印度、以色列等世界各地科学家也开始进行人类胚胎干细胞的提取工作,他们希望发现具有生殖传递能力的人类胚胎干细胞。2001年时任美国总统乔治·布什宣布禁止一切胚胎干细胞提取的科学研究活动,并在2006与2007年两次否决了联邦政府对胚胎干细胞研究资金的支持的法案。
第二步,
尽管当时美国政府禁令让基因组科学家研究热情一落千丈,但是它并不能阻止在人类基因组中创建永久性改变所需的第二步:人们已经可以通过可靠与高效的手段将定向改变导入现存胚胎干细胞基因组。

詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna),美国著名结构生物学家与基因编辑技术专家,与卡彭蒂耶共同开创了第一代CRISPR/Cas9技术。图片来源:Mrl611/commons.wikimedia.org
2011年春季,生物学家珍妮弗·杜德娜与细菌学家伊曼纽尔·卡彭蒂耶在一次微生物会议中结识,她们聊起了细菌与病毒之间的战争,并且两位都非常熟悉细菌与病毒敌意深深铭刻在基因里。2012年她们意识到细菌防御系统具有“可编程”的特点。但是只有携带病毒的基因镜像序列的细菌才可以搜索并摧毁目标;它们不会毫无理由地对其他基因组进行识别或剪切。在充分了解此类防御系统的基础上,杜德娜和卡彭蒂耶认为可以采取某种手段来迷惑细菌:只要将系统中的识别元件替换成诱饵元件,那么就能强行通过这套系统对其他基因与基因组进行定向剪切;只要将“搜索者”进行转换,他们就能找到并剪切不同的基因。这也让那个定向剪切成为可能,并且延伸出可以像DNA一样可以修剪、删除并重新修复破损基因。根据上述原理,预先确定好的基因改变就能够被写入基因组:基因中的ATGGGCCCG序列就可以被改成ACCGCCGGG(或是任何序列,又或是删除),该项技术被命名为“基因组编辑”或“基因组手术”。

埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanulle Charpentier),欧洲著名CRISPR专家,现代基因编辑技术的创始人之一。图片来源:Bianca Fioretti, Hallbauer & Fioretti/commons.wikimedia.org
2012年两位科学家在《科学》杂志上联合发表了关于微生物防御系统CRISPR/Cas9的研究数据(这组数据也是贺建奎实验理论基础),正是这篇文章点燃了生物学家的想象力的火种,在随后的3年里,这项技术得到突飞猛进的发展。

Cas9与引导RNA和目标DNA结合时的晶体结构示意图女皇神慧。图片来源:doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.001
但这项技术有两个缺点:一是有时候被剪切的基因可能发生错误;二是这种技术修复基因效率很低,因此要把信息重新写入基因组某些特殊位点及其困难。虽然风险极大,但并不能阻止科学家的热情,基因治疗的的鼻祖理查德·马利根曾经幻想过的“完美的基因治疗”,正在变为现实。
第三步,
上述重要两步走,距离完成人类基因组永久性定向修饰就差最后一步。就是把人类胚胎干细胞中创建的基因改变整合到人类胚胎中。然而无论是从技术层面还是伦理的角度来看,将人类胚胎干细胞直接转化为正常人类胚胎都不可思议。即使人类胚胎干细胞可以在实验室条件下分化为所有类型的人体组织,但是当人类胚胎干细胞直接移植到女性子宫后,我们依然无法指望这个细胞可以自动形成正常人类胚胎。当人类胚胎干细胞被移植到动物体内后,其中大部分细胞也只能分化为某些松散的胚层结构,而这与受精卵在人类胚胎发育过程中所形成的解剖学与生理学构造相去甚远。
为此,研究人员设计出一种潜在的替代方案,他们先等胚胎解剖结构基本形成后(例如受孕数天或数周后)在对其进行整体遗传修饰。但是这种办法也面临尴尬的境地:人体胚胎一旦形成各种胚层,那么就很难再对其进行基因修饰。即便是抛开技术问题,进行此类实验的伦理争议也大大超过了其他方面的考虑:在人类活体胚胎中尝试基因组修饰必然会引发生物学与遗传学范畴意外的各种担忧。而进行此类实验无疑超出了大多数国家能够接受的底线。

杜德娜与卡彭蒂耶共同荣获2015年生命科学突破奖。图片来源:independent.co.uk
随着杜德娜不断完善用于改造基因组的CRISPR系统,这些终极的挑战在很大程度上已经度过难关。2014年冬季,在不依赖人类胚胎干细胞的基础上,英国剑桥大学以及以色列威兹曼研究所的胚胎学家开发出一套可以产生原始生殖细胞(即精子与卵子的前体细胞)的系统。很显然,创建人工胚胎受到严格限制,因此对于这些精子样与卵子样细胞来说,尚不清楚它们形成的人类胚胎能否正常发育李钰阳,但是研究人员已经基本上分离出可以进行遗传传递的细胞。从理论上讲,如果能够采用任何遗传学技术对亲本胚胎干细胞进行修饰,例如基因编辑、遗传手术或通过病毒插入基因等手段,那么这种基因改变就会被永久性写入人类基因组,并且将按照遗传学的规律世代相传(贺建奎团队在违背伦理道德限制下,完成了一件违反人类伦理的实验)。
操纵基因与操纵基因组的伦理思考
值得注意的是,操纵基因与操纵基因组是两种完全不同的概念。20世纪80年代到90年代,DNA测序与基因克隆技术不仅增强了科学家对于基因理解与操纵,同时还使他们掌握了左右细胞生物学变化的本领胡济舒。但是在自然条件下(尤其是在胚胎细胞或生殖细胞中)对于基因组进行操纵将面临来自技术领域的巨大挑战。但是如今这种风险已经不再局限某个细胞,而是直接指向我们人类自身。与此同时,这其中还有许多问题悬而未决:每个基因都可以被高效地改造吗?这些改造可以产生哪些间接影响呢?胚胎干细胞分化出的精子与卵子能够发育成为正常的人类胚胎吗?尽管还有许多无关紧要的技术问题有待解决,但是这幅拼图的关键部分已经尘埃落定。
上述的每个步骤都受到严格的规定与禁令制约,美国包括其他国家依然明令禁止以下两种人类胚胎干细胞的研究:一是,科学家不得将这类细胞导入人体或动物体内使其发育成活体胚胎;二是鬼怪公寓,禁止在可能传递到生殖细胞(例如精子或卵子)的情况下对于胚胎干细胞基因组进行修饰。虽然国际上明令禁止,但在这项技术上就是在等待狂人的出现,而这个人就是疯狂的贺建奎,当然这项研究基础来自于国外研究,但与我国科学家们有着千丝万缕的关系。

戴维·巴尔的摩(David Baltimore,1938年3月7日-),美国生物学家,1975年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一姜祉羽。加州理工学院生物学教授;图片来自百度
2015年的时候豆浆西施,珍妮弗·杜德娜与戴维·巴尔的摩众多科学家在人类基因编辑国际峰会上签署一项声明,暂停基因编辑于基因改造技术在临床领域,尤其在人类胚胎干细胞中的应用。他们还认为魔女的赎罪,由于我们对于人类遗传学、基因-环境交互作用以及发病途径的理解仍然十分有限,因此即便是这种看似简单明了的方案也会引发严重关切。这次会议发表的声明旨在人们能够从伦理、政治、社会与法律角度做出研判之前对于此项技术进行限制。
贺建奎不是基因编辑第一人
2015年春季,来自中国的研究团队突然宣布他们无意中跨越了基因编辑技术的红线。

黄军就,男,前中山大学生命科学学院副教授,2015年4月发表了全球第一篇有关利用CRISPR技术修改人类胚胎基因的报告。因人类胚胎基因修改研究,入选全球知名科研期刊《自然》(Nature)杂志2015年度对全球科学界产生重大影响的十大人物。图片来自网络。
在中山大学,黄军就领导的实验团队从体外受精诊所获取了86份人类胚胎,他们尝试利用CRISPR/Cas9系统来矫正一个常见的血液病基因傅延龄,最终只有71份胚胎活下来。在接受检验的54份胚胎中,仅有4份胚胎成功插入了正确的基因。更令人诧异的是,该系统被发现存在脱靶效应:其中三分之一的受试胚胎导入了其他基因的非定向突变,其中就包括维持胚胎正常发育与生存的关键基因。因此该实验被立即叫停,黄军向记者说到“尽管修饰人类胚胎基因组的技术可能存在复杂、低效甚至是错误等问题,但是这些都不能成为将其排斥在科学研究之外的借口”。“中国的同行不会停止这些实验”2015年6月底某位科学家在《纽约时报》写道;而另一位生物伦理学家对此进行了澄清:“儒家思想认为生而为人。这与美国以及其他受基督教影响的国家不同,他们由于宗教原因不能接受胚胎实验。我们的红线是只能对14天以内的胚胎进行实验研究”。说白了就是“先做后想”。这也不难理解我们的研究团队会如此冲破道德底线进行实验。

图片来自网络
2015年至2018年短短的三年,贺建奎做到了所有人都不敢做的事情,他的研究本身并没有创新,只是把被人不敢干的事情他完整的做了一遍,他被载入基因领域史册的同时也伴随着法律道德伦理巨大争议。当“不敢”成为现实,我们需要太多的思考,究竟是基因组研究带来巨大的吸引力?还是贺建奎疯狂?又或是世界科学领域伦理、道德、法律统一的缺失;我认为不仅仅是科学家的问题,还有背后一系列存在“人性”本源问题。
编后语
尽管人类基因组并不需要理解寓言或隐喻,但是它同样也是弱点、欲望与野心的试验场。我们在基因组中读写的信息反映了自身的弱点、渴望与野心,其实这些内容就是“人性”的写照。
最后,让我们共同记住“露露和娜娜”两位孩子,祝他们健康成长,希望你们长大后忘记人类违反“伦理”的暴行!
王 正,博士研究生
研究方向:创业与企业管理
2018年12月10日于金华编辑整理
参考资料:AN INTIMATE HISTORY
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