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被中国科学家差点搞砸的基因编辑技术为什么还那么火爆?

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4月,中国科学家试图用Crispr-Cas9修补导致β地中海贫血的基因,实验所用的86个人类胚胎来自于之前人工授精失败的胚胎。这触及了目前基因编辑技术最大的雷区:伦理。


“编辑”缺陷基因的新技术为开发新一代药物带来了希望,一些难治疾病,如癌症、囊性纤维化和镰状细胞性贫血有望治愈。


一些药物可以靶向于导致疾病的特定基因,“剪”掉它,然后,如果必要,用一段健康的DNA片段代替。


不过,这种类型的药物暂时还不会进入到市场。制药公司现在只是在探索阶段,设法搞清楚如何使用这种名为Crispr-Cas9的基因编辑技术开发药物。不过,这一方法为基因突变疾病治疗药物的开发提供了极大的发展空间。


私人公司爱迪塔斯医药公司(Editas Medicine)的CEO Katrine Bosley说,“如果你正确地找到了疾病的根源,并修补损坏的基因,会发生什么?这个念头让大家兴奋。”这家公司正在开发的在研药物有一个是治疗某种雷伯氏先天性黑蒙的基因编辑药物。雷伯氏先天性黑蒙是导致儿童失明的一种罕见疾病。


研究和争论


美国犹他大学医学院的生物化学教授Dana Carroll称,Crispr-Cas9并不是唯一的一种基因编辑技术,但是研究人员认为,这种方法比其他方法更容易。Carroll是另一种基因编辑方法——锌指核酸酶的发明者之一。


Crispr-Cas9技术领域的领跑者,私人公司IntelliaTherapeutics正与诺华公司合作,探索如何开发出一个基因编辑药物来利用免疫系统对抗某些类型的血液癌症。两家公司同时也在研究利用Crispr-Cas9技术开发遗传性血液疾病如镰状细胞贫血和β地中海贫血的治疗药物。

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图:Crispr-Cas9技术原理


将一段RNA与一种名为Cas9的天然蛋白结合,Cas9来自于细菌,它的功能是基因剪切。这段编辑过的RNA将去寻找有问题的DNA片段


进入细胞后,RNA/Cas9结合体就会去寻找与它的RNA相匹配的DNA序列。


一旦发现匹配的DNA,Cas9就会切断DNA的双链。


修补酶可以修补并封闭DNA缺口,新的基因信息代替了原来的基因编码。


Intellia公司的CEO NessanBermingham认为,基于Crispr-Cas9技术开发的药物有望弥补现阶段药物的不足,治疗目前无药可治的疾病。他说,“这是对抗和治疗疾病的新工具。”


产业界和学术界的实验室也在使用这项技术用于更为直接用途:创造出基因工程小鼠或其他动物,让他们患有类似人类的疾病,用于研究。


百健(Biogen)精准药物部门的高级副总裁Tim Harris称,使用Crispr-Cas9制作动物模型“比其他方法更快更容易”。百健公司正在使用这项技术开发肌萎缩侧索硬化症(卢伽雷氏症)的药物,这种疾病目前还没有好的动物模型。


但是今年4月,Crispr-Cas9又“恶名远播”,原因是中国科学家报告,试图使用这种方法修补导致β地中海贫血的基因。实验所用的86个人类胚胎来自于之前人工授精失败的胚胎。科学界担心,基因编辑技术会用于在出生之前对胚胎的改造。


制药公司表示,这种伦理上的担忧不会对他们使用Crispr-Cas9开展的研究工作造成影响,因为他们的研究对象是非生殖细胞,而不是胚胎。


专利纠纷


困扰着CRISPR-Cas9技术的除了伦理问题外,还有专利战。


去年美国麻省理工学院-哈佛大学博德研究所(Broad Institute)收到了美国首个Crispr-Cas技术相关专利。该技术使得科学家们可以编辑人类和其他哺乳动物的细胞。美国加利福尼亚大学和奥地利维也纳大学校方,以及瑞典于默奥大学的Emmanuelle Charpentier博士都对这个专利的授予提出异议,称这一技术的突破性发现是由加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna完成,而Charpentier博士在维也纳大学读书期间也参与了研究。


这些科学家还创办了互相竞争的公司。Doudna博士是Intellia的创始人之一。她还与博德研究所的Feng Zhang以及其他大学的科学家一起创办了爱迪塔斯,不过Doudna博士并不在这些公司里担任职务。Charpentier博士则协助成立了私人公司Crispr Therapeutics。


CRISPR-Cas9技术包括两个基本部分:一是Cas9蛋白,用来剪切缺陷基因;另一个部分是单链RNA分子,“分子剪刀”Cas9蛋白与其相连。


比方说,基于该技术开发的一个囊性纤维化药物包括一个经过编辑的向导RNA分子,该分子寻找到与疾病相关的突变基因;然后Cas9蛋白切断该基因附近的DNA双链。这个药物还包括一段带有健康基因序列的DNA片段,细胞可以复制该DNA片段来修补染色体。对于某些疾病,缺陷基因不需要被健康DNA代替。


但是,这种治疗还需要很长一段时间才能上市。Doudna和Charpentier博士有关Crispr-Cas9技术的治疗潜力的论文三年前才刚刚发表,基于该技术的实验性药物甚至还没有进入人体研究阶段。


技术障碍


CRISPR-Cas9技术还有很多亟待解决的技术挑战,比如搞清楚将药物传递到靶细胞的最佳方式。RNA能够将药物带到正确的基因,但是不能引导药物到达正确的细胞。研究人员正在探索是否能够通过一种无害的病毒——腺相关病毒,或者微小的脂质纳米颗粒作为载体。这两种载体都正在开展各种药物传递的研究。Crispr Therapeutics的CEO Rodger Novak表示,“我们仍旧需要确定最佳的传递方式。”


Charpentier称,因为传递问题,第一个基因编辑疗法药物可能会将患者的血细胞或其他细胞取出,在实验室里使用Crispr-Cas9疗法进行治疗,然后再将经过治疗后的细胞回输给患者。她还表示,在体外能更加容易地确认基因编辑是否按预期完成。


爱迪塔斯的Bosley女士认为,首个基于Crispr-Cas9的药物可能被用于治疗仅仅需要敲除缺陷基因的疾病,因为新的DNA片段替代剪切的片段目前还不可行。


美国加州大学伯克利分校和旧金山分校合作创立的“基因组学创新计划”(Innovative Genomics Initiative)正在与制药公司阿斯利康合作,使用Crispr-Cas9治疗疾病。该组织的董事总经理Jacob Corn表示,“未来10年、15年后,我们与遗传病的关系将和现在有很大的不同。它将是这样的,‘哦,我的孩子出生的时候有镰状细胞病,我们正在改变它。’”

(来源:网络;整理:生物无忧)

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