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CRISPR的未来:改变世界的五种方式

发布日期:2018-02-07 来源: 仪器信息网 查看次数: 300 作者:本站

核心提示:CRISPR 是在 20 世纪 90 年代初被发现的,并在 7 年后首次用于生化实验,此后迅速成为人类生物学、农业和微生物学等领域研究人员中最流行的基因编辑工具。科学家们还处于探索如何利用 CRISPR 来改变世界的早期阶段。当然,改变 DNA的能力也带来了许多伦理问题和担忧。有鉴于此,这里有些这种革命性技术最令人兴奋的应用,以及可能减缓或阻止其发挥其全部潜力的障碍。1.CRISPR 可以纠正导致

  CRISPR 是在 20 世纪 90 年代初被发现的,并在 7 年后首次用于生化实验,此后迅速成为人类生物学、农业和微生物学等领域研究人员中最流行的基因编辑工具。科学家们还处于探索如何利用 CRISPR 来改变世界的早期阶段。当然,改变 DNA的能力也带来了许多伦理问题和担忧。有鉴于此,这里有些这种革命性技术最令人兴奋的应用,以及可能减缓或阻止其发挥其全部潜力的障碍。

  1.CRISPR 可以纠正导致疾病的基因错误

  肥厚性心肌病 是一种心脏疾病,在全世界每 500 人中大约就有 1 人患病。这种疾病发作时令人感到痛苦不堪,而且常常是致命的。有些显性基因突变会导致心脏组织变硬,这可能导致胸痛、虚弱,更严重时甚至会出现心脏骤停。得益于最近的医学进步,HCM 患者的平均预期寿命接近普通人,但如果不及时治疗,会导致危及生命的情况。

  但在将来,我们也许可以通过基因编辑来彻底治愈这种疾病。在 2017 年夏天,美国俄勒冈健康与科学大学的科学家们用 CRISPR 删除了人类胚胎中的一个缺陷基因。结果是令人兴奋的:在受精后 18 个小时内采用 CRISPR-Cas9 技术的 54 个胚胎中,有 36 个没有显示基因突变 迹象,而 13 个胚胎只是部分突变 。

  非目标基因突变和嵌合体 只存在于 54 个胚胎中的 13 个身上。为了进一步减少部分细胞被改变的可能性,研究人员进行了另一项实验,他们在受精时直接对胚胎中相同的基因进行了校正。他们发现,只有一个胚胎存在非目标基因突变和嵌合体。这是一个令人印象深刻的结果,使得这项研究比类似的研究更有效率。

  这项研究的第一作者、俄勒冈健康与科学大学研究员肖克拉特·米塔利波夫在新闻发布会上说:“通过使用这项技术,我们有可能减轻这种遗传性疾病对家庭乃至整个人类的负担。”在胚胎发育的早期阶段捕捉突变,可以减少甚至消除病人生命后期的治疗需求。

  尽管有些干细胞科学家质疑这几十种突变是否真的被修复,但这项研究的确帮助科学家更好地理解 CRISPR 的功效。此外,HCM 研究的共同作者之一已经表示,有兴趣将同样的技术应用于增加乳腺癌风险的特定基因突变 上。

  这就是说,科学家们知道改变人类胚胎的遗传密码可能会产生意想不到的后果。如果 CRISPR 在错误的地方做出改变,无意中改变或移除健康的基因该怎么办? 这对病人有什么影响? 在世界上有些地方,科学家们可以在很大程度上不受束缚地对人类胚胎进行实验。但在美国、加拿大或英国,情况并非如此。

  在美国,食品和药物管理局 目前不考虑利用公共资金来研究那些可以遗传的基因 。在加拿大,编辑可以传给后代的基因是一种犯罪行为,最高刑罚为 10 年监禁。与此同时,英国人类受精与胚胎管理局于 2016 年授权伦敦的一个科学家团队,允许他们编辑人类胚胎基因。英国科学家希望这将开创先例,并为未来的应用打开大门。

  2.CRISPR 可以消除导致疾病的微生物

  尽管艾滋病的治疗已经将病毒从致命杀手变成了健康威胁,但科学家们还没有找到治愈方法。这种情况可能会随着 CRISPR 技术的进步而改变。在 2017 年,中国研究团队通过复制一种有效阻止病毒进入细胞的基因突变,成功地增强了老鼠对艾滋病病毒的抵抗力。目前,科学家只是在动物身上进行这些实验,但有理由认为同样的方法也适用于人类。艾滋病毒的耐药性突变发生在一小部分人身上。通过使用 CRISPR 将突变引入人类干细胞,研究人员可以在未来显著增强人类对艾滋病的抵抗力。

  另一项在中国进行的基因编辑试验将于 2018 年 7 月份开始,科学家们将尝试使用 CRISPR 来破坏人类乳头瘤病毒 基因。这种病毒已被证明会导致宫颈癌肿瘤生长。

  在一种稍显不同的方法中,北卡罗来纳州的科学家使用 CRISPR 来设计噬菌体,即能在细菌内感染并复制自身的病毒,以达到杀死有害细菌的目的。自 20 世纪 20 年代以来,噬菌体已经被用于临床试验中来治疗细菌感染。但是,从自然中收获它们是非常困难的,因为当时缺乏了解,导致结果无法预测,而且抗生素市场的不断增长使得噬菌体的使用变得不受欢迎。甚至在今天,依然有些研究人员担心,大量的噬菌体浸入会引发免疫反应,或导致耐抗生素细菌对噬菌体产生抗药性。

  尽管人体试验尚未开始,但研究人员对使用 CRISPR 来设计噬菌体持乐观态度,因为它们是一种经过验证的、安全的治疗细菌感染方法。事实上,在 2017 年的一项试验中,研究人员使用 CRISPR 改造的噬菌体拯救了被耐抗生素细菌感染的老鼠生命。

  3.CRISPR 可以复活灭绝物种

  2017 年 2 月份,哈佛大学遗传学家乔治·彻奇在美国科学促进协会年会上发表了一项令人惊讶的声明。他声称自己的团队可在 2 年内培育出大象 - 猛犸象杂交胚胎。彻奇希望复活长毛猛犸象能够控制全球变暖,他说:“猛犸象可帮助冻土带从雪中解冻,让冷空气释放出来。”

  彻奇和他的团队希望利用 CRISPR 将亚洲象 和长毛猛犸象的遗传物质结合起来。后者的样本是从西伯利亚发现的冷冻猛犸象 DNA 中提取的。通过将猛犸象的基因组添加到亚洲象中,最终的生物体将具有长毛象的共同特征,如长毛,在寒冷的气候条件下可以作为保温材料。据《新科学家》杂志报道,最终的目标是将这种杂交胚胎植入大象体内,并使其完整生长。

  这项工作的前景十分喜人,但是很多专家认为彻奇的时间表有点过于乐观了。即使研究人员培育出混合胚胎,但在人造子宫内生长将是另一个需要克服的障碍。当然,彻奇的实验室已经有能力利用人工子宫培育出小鼠胚胎。但这并不能保证我们将在未来几年见证长毛猛犸象的诞生。

  4.CRISPR 可以创造更健康的新食物

  CRISPR 基因编辑技术在农业研究领域已被证明非常有前途,来自纽约冷泉港实验室的科学家利用该工具提高番茄产量。这家实验室开发了一种方法来编辑决定番茄大小、分枝结构的基因,并最终决定植株的形状,以获得更多收获。首席研究员、冷泉港实验室的 Zachary Lippman 教授在新闻发布会上说:“现在,每个特征都可以像电灯开关那样控制。我们现在可以使用原生 DNA,增强自然提供的东西,我们相信这能帮助打破产量障碍。”

  为了满足饥饿世界的需求,高产作物只是一个开始,科学家们希望 CRISPR 也能帮助转基因作物摆脱污名。2016 年,农业科技公司 DuPont Pioneer 发布了一种新品种的玉米,因为研究人员改变了它的基因,因此从技术上讲,它不是转基因作物。

  转基因作物和基因编辑作物的区别相当简单。传统的转基因作物是通过将外来的 DNA 序列插入作物的基因组中,将性状或特性传给未来的有机体。而基因编辑比这种方法更精确:它对作物自身基因组中特定位置的基因进行精确的改变,经常破坏某些基因或改变它们的位置,这些都不涉及引入外来 DNA。

  虽然转基因作物继续在消费者中存在争议,但 DuPont Pioneer 等公司希望基因编辑食品更被更好地接受。转基因食物在美国市场上已经存在几十年,科学家们没有发现任何健康风险,尽管转基因作物的最大支持者也承认,科学家们仍然不知道所有的长期风险。CRISPR 编辑的作物也是如此。当然,科学家们将继续测试和评估这些作物,以确保没有意料之外的副作用,但这项技术的初期工作效果非常好。最终,CRISPR 编辑作物可能会淹没全球市场。

  DuPont Pioneer 公司希望到 2020 年将其“蜡质”基因编辑玉米推向美国市场。经过基因编辑的蘑菇已经绕过了美国农业部的规定,因为它不含有来自病毒或细菌的外来 DNA,成为第一个获得批准 CRISPR 编辑作物。瑞典已经宣布将对与转基因作物不同的 CRISPR 编辑基因作物进行分类和管理,但欧盟委员会尚未决定其立场。

  5.CRISPR 可根除地球上最危险的害虫

  像 CRISPR 这样的基因编辑技术可以直接对抗传染性疾病,但是有些研究人员已经决定通过消除传播途径来减缓疾病的传播。加州大学河滨分校的科学家们培育出一种蚊子,这种蚊子对 CRISPR 的变化特别敏感,这让科学家们史无前例地控制了该生物传给后代的特征。其结果是:通过改变负责眼睛、翅膀和角质层发育的基因,创造出黄色、三眼、无翼蚊子。

  通过干扰蚊子基因中多个位置的目标基因,研究小组正在测试一种“基因驱动”系统来传播这些抑制特性。基因驱动是一种确保遗传性状遗传下去的方法。通过削弱蚊子的飞行能力和视力,河滨团队希望大大降低它在人类中传播危险传染病的能力,例如登革热和黄热病。

  其他研究人员通过干扰蚊子的繁殖方式来消灭蚊子。伦敦帝国理工学院的研究人员曾使用 CRISPR 来研究携带疟疾的蚊子的雌性繁殖方式,通过基因驱动系统来影响雌性不育的特性,从而令其更容易被遗传下去。

  但是干扰蚊子的数量可能会带来无法预料的后果。消灭一个物种,即使是一个看起来没有多少生态价值的物种,也会破坏生态系统的谨慎平衡。这可能会带来灾难性的后果,比如破坏食物网或增加疟疾等疾病可能由不同物种传播的风险。

  CRISPR 的未来

  目前的科学进步表明,CRISPR 不仅是一种用途极其广泛的技术,它也被证明是精确的,而且使用越来越安全。但它仍有很多进步空间,我们才刚刚开始看到像 CRISPR-Cas9 这样的基因组编辑工具的全部潜力。在我们用基因编辑食物满足人类需求、消灭遗传疾病或者让灭绝物种复活的过程中,技术和伦理障碍仍然存在,但我们依然要按照这个方向前进。

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