科学大家|基因编辑婴儿追踪:该被编辑的是我们的心

科学大家|基因编辑婴儿追踪:该被编辑的是我们的心
2018年11月28日 10:41 科学大家

  出品| 新浪科技《科学大家》

  撰文| 叶盛 中国科学院生物物理研究所副研究员,中国生物物理学会科普工作委员会秘书长,中国科普作家协会会员

  刚刚过去的这个周末,我在深圳参加了“2018中国科幻大会”,并且意外地拿到了2018“银河奖”的最佳中篇科幻小说奖。这件事情本身就很科幻,因为《画骨》是我在2016年写作的,时隔两年多之后获奖,很有一种穿越感。然而我没有料到,更有科幻感的事情还在后头。就在这次行程结束时,深圳出现了世界首例抗艾滋病的基因编辑人类婴儿。

  曾经,很多科幻作家都在写作这种题材时感到头痛:故事中的主角面对基因编辑或其他生物科技所产生的人类研究对象时,究竟该持何样心态,作何抉择,如何行动呢?而今,科幻照进了现实,这些本该只会让科幻作家们去头痛的问题,却拷问着我们每一个人。

  究竟胚胎基因编辑是什么?此次事件中两个女孩被编辑的是哪个基因?她们真的就能抵抗艾滋病吗?为什么生物学家们此次会清一色地反对基因编辑婴儿实验?其中的科学风险是什么?什么是脱靶?脱靶可怕在哪儿?既然有人说人类早晚有一天会走到这一步,为什么今天就是不行?针对大家关心的这些问题,我将在本文中尽力给出科学层面上的答案。

  在细胞核里动“手术”

  自从生物学家发现相当一部分疾病源于基因问题时,他们便梦想着能够有一种技术可以对基因进行编辑。道理不言自明:要是有问题的基因能够被修复,那么病不就没了吗?然而,生命体的事情自然不会这么简单。

  基因是什么?抛开那些繁杂的定义,简单来说,基因就是DNA所承载的一段遗传信息。第一,它是信息;第二,它可以被遗传给后代(但并非一定会被遗传)。

  DNA又是什么呢?抛开各种化学的问题不谈,它就是一个字符串,只不过里面只有四种字母:A、C、G、T。所以,基因就是由ACGT这四种字母所写就的遗传信息字符串。

一个DNA字符串与翻译出来的蛋白质肽链一个DNA字符串与翻译出来的蛋白质肽链

  那么基因编辑是什么呢?答案已经不言自明了,就是对DNA字符串进行编辑修改,增增补补或删删改改,从而改变基因的遗传信息。

  其实,如果只谈对于DNA分子的人为操纵的话,生物学家们早就轻车熟路了。我们有PCR方法可以把目标DNA大量复制扩增;我们有内切酶可以把DNA字符串上特定的位置剪断;我们有连接酶可以把断开的DNA连接起来;我们甚至可以直接用化学方法合成出一条我们自己随便写出来的DNA字符串。但是,所有上述这些人为操纵都是发生在PCR仪里的,发生在试管里的,发生在水浴箱里的,总而言之,是发生在离开细胞的体外环境中的。

  我们可以想象,如果要在复杂的细胞内部,对细胞核里高度折叠的DNA进行任何操作,都必然是极其困难的。而这才是真正的基因编辑所要做的事情。所以,我们对于基因编辑的说明还要加上一个限定条件,即在细胞内完成对于细胞自身基因的编辑工作。这种在微观世界中的“超微手术”要如何实现呢?

  细菌不发危,你当我是“病菌”!

  免疫系统这个词大家多多少少都听说过,也一定知道它是我们身体中一套涉及很多细胞和组织器官的复杂体系。如果说细菌也有免疫系统,你会不会觉得很诡异呢?甚至会觉得有点“贼喊抓贼”呢?但是,细菌的确也有敌人,所以也需要克制敌人的办法。而当前应用最广泛的基因编辑技术,就是从细菌这套克敌制胜的系统中来的。

  威胁细菌生存的是一种病毒,称为噬菌体。实验室里大量培养细菌时,天不怕,地不怕,就怕噬菌体。一旦噬菌体严重泛滥,整个实验室说不定都得关张,用化学药剂全面熏蒸消毒,才能清除噬菌体的危害。

  当噬菌体侵染细菌时,这些如同外星飞船一样的病毒会伸出几只“脚”抓在细菌表面上,然后用一个螺旋尾部刺穿细菌表面,再将病毒自己的DNA释放到细菌的细胞内部。由于细菌没有细胞核,所以这些进来的病毒DNA就会被当成细菌自己的遗传信息,用以生产蛋白质,装配出新的噬菌体来。

  为了对付侵害自己的病毒,细菌也进化出了一套自卫本领。首先,它们的基因组中包含一些称为CRISPR的DNA序列,记录了之前侵染过它们的病毒的DNA片断,就像是警察电脑中的罪犯指纹库。然后,细菌的细胞内还有一种叫做Cas9的酶,能够依照CRISPR提供的序列去识别外来的DNA,一旦发现能够匹配的片段,就相当于警察在城市里发现了与罪犯指纹匹配的家伙,于是Cas9就会毫不客气地将这些外来的病毒DNA切碎,从而阻止了依照这些DNA来生产病毒蛋白。

  生物学家们就利用这套CRISPR/Cas9的系统,让进入动物细胞的Cas9通过序列匹配找到目标DNA,一“刀”下去,将其切断,从而起到了破坏特定基因的目的。当然了,实际应用中还有很多技术细节问题,包括如何利用这套系统来实现外来基因的整合等等。

CRISPR/Cas9的基因编辑原理CRISPR/Cas9的基因编辑原理

  开启一片新天地

  虽然在CRISPR/Cas9之前也出现过一些其他的基因编辑技术,但都没有CRISPR/Cas9这样简单易行,周期短,效率高。因此,生物学家们可以很方便地应用CRISPR/Cas9技术来完成很多以前难于完成的实验。

  比如说,如果生物学家们想要研究某个基因的功能,一个重要的实验就是看看当细胞中没有这个基因时会发生什么事情。虽然有一些不必编辑基因组的方法,就能让一个基因沉默,但往往沉默的效果并不好,而最彻底,最可靠,最直接的方法,还是把那个基因破坏掉。而这正是CRISPR/Cas9所擅长的事情。

  有的时候,一个基因的作用并不能在细胞层面得到充分的展示。也就是说,只把体外培养的细胞中的基因破坏掉还不够,生物学家们希望看到没有这个基因的线虫、果蝇、小鼠、大鼠是怎么样的。这时,问题就来了:我们怎么能把一只小鼠全身所有细胞的基因组全都编辑一遍呢?

  当然不能。所以一般采取的方法是,采集小鼠的受精卵,在胚胎尚且是一个细胞的阶段对其进行CRISPR/Cas9的基因编辑操作,那么编辑后的受精卵再复制扩增出来的其他细胞也就都带上一样的编辑过的基因了。

  实际上,利用CRISPR/Cas9进行细胞层面或实验动物层面的基因编辑,目前已经是比较成熟的技术了,在大多数细胞生物学或发育生物学实验室中就能完成,市面上还有很多生物技术公司能够为研究者提供这样的基因编辑细胞或基因编辑动物的制备服务。

  可以说,CRISPR/Cas9技术在基因编辑领域的广泛应用,为生物学家们打开了一片新天地,大大加快了对于基因功能的研究工作。可即便如此,我们对于基因功能的所知仍非常有限,“人类基因组计划”所找到的约2万个人类基因,在科学家眼中仍是浩如烟海的数据,远没有完全转化成条理性的有用的知识。

  短一截的感受器

  毫无疑问,在CRISPR/Cas9技术已经广泛应用的这个时代,将其应用于人类胚胎的基因编辑并不存在显著的技术障碍。也就是说,深圳贺建奎团队所做的事情,在学术上并非是什么新技术的突破。

  既然不是技术突破,会不会是某种思路上的突破呢?很不幸,答案同样是否定的。此次被贺建奎团队选中突变的基因是CCR5,而其目的是为了让突变后的婴儿天生具备抵抗艾滋病毒的能力。但是,这一思路并不新鲜。

  在世纪之初,研究者们发现有一些人感染艾滋病毒之后,无须治疗,病情也不会迅速发展,始终处在一种受控的状态下。这类病人于是被称为“精英控制者”。精英控制者能够控制艾滋病毒的原因比较复杂,其中之一就是CCR5这个基因当中发生了32位(可以理解为32个字母)的缺失,称为CCR5Δ32。

  要知道,基因的功能都是由其所编码的蛋白质来执行实现的。别说缺失32位了,就算少了1位,基因编码的信息也乱套了,照着生产出来的蛋白质也就错了。CCR5Δ32会导致生产出来的CCR5蛋白提前终止,于是短了一大截,成为一个残次品。

  免疫细胞表面的CCR5蛋白本来是一个接收体内趋化因子信号的接收器。但是在艾滋病毒侵染免疫细胞的过程中,细胞表面的CCR5蛋白被病毒当成了一个识别标记,参与了病毒的识别与对接,协助介导了艾滋病毒进入细胞的过程。免疫细胞表面主要的艾滋病毒受体是CD4蛋白,而CCR5蛋白则被称为共受体。

CCR5协助艾滋病毒进入免疫细胞CCR5协助艾滋病毒进入免疫细胞

  如果一个人的两份基因拷贝中都是CCR5Δ32,那么他的免疫细胞表面就没有完整的CCR5蛋白可用,也就难于被艾滋病毒感染。这样的人在欧洲占据了人群的1%。如果一个人的两份基因拷贝中有一份是正常的CCR5,一份是CCR5Δ32,那么他能生产出正常的CCR5蛋白,但是要比正常人的量少,于是变得不太易于被艾滋病毒感染,感染后的发病过程也要相对缓慢一些。这样的人在欧洲占据了人群的10%,在北欧人群中更是高达16%。

  不过有必要说明的是,这个基因突变并不是针对艾滋病而出现的,实际上已经有上千年的历史了,而艾滋病毒感染人类不过是几十年的时间而已。显然,这个突变很可能还有其他的进化优势。但是由于CCR5的正常功能遭到了破坏,所以这个突变也明显有着影响免疫力的劣势。那么它的存在,就是优势与劣势权衡的结果,特别是在某种特定环境下权衡的结果。

  考虑到CCR5Δ32对于艾滋病毒的显著抗侵染能力,曾经就有生物学家提出可以通过基因编辑破坏CCR5基因,来实现对艾滋病毒的抵抗。不过,他们并没有去开展这样的实验,直到深圳贺建奎团队冒了天下之大不韪。

  柏林病人

  虽然不能直接做CCR5Δ32突变的人类胚胎编辑,但的确有科学家想出了一些“曲线救国”的方式。比如说,要是一个艾滋病人同时患有白血病,那么给他做骨髓移植的时候,找一位双CCR5Δ32的骨髓捐献者,就能为病人引入不带完整CCR5蛋白的免疫细胞。这样一来,能否治愈他的艾滋病呢?

  科学家们的确找到了一位这样的病人,而且也愿意参与这项实验,他的名字叫提莫西·布朗(Timothy Brown)。2007年2月,布朗在德国柏林接受了双CCR5Δ32的骨髓移植,并同时停止了其他的抗病毒治疗。三个月后,他体内的艾滋病毒水平骤降,已经无法检测到了,并在后来一直维持在这一状态下。由此,布朗被广泛称为“柏林病人”。

  为什么我们不能在所有艾滋病人身上复制柏林病人的奇迹呢?一方面,骨髓移植需要找到血型等诸多方面都完全匹配的捐献者,这本就是一件困难的事情。很多白血病人都因为找不到合适的配型,因此无法进行骨髓移植。如果再加上双CCR5Δ32这个条件,那就更难找寻了。

  另一方面,CCR5并不是唯一的艾滋病毒共受体。在中国较为常见的艾滋病毒亚型,主要依靠的共受体是一种称为CXCR4的蛋白。也就是说,单纯去掉CCR5蛋白,似乎并不能抑制依赖CXCR4的艾滋病毒入侵免疫细胞。既然破坏CCR5基因根本无法抵抗国内常见的艾滋病毒毒株,为什么还要进行这项实验呢?这也是目前针对贺建奎团队的技术层面的主要质疑之一。

  不过,在柏林病人身上有一个无法解释的现象。布朗在移植手术之前,体内也有少量依赖CXCR4为共受体的艾滋病毒。但是在接受骨髓移植手术之后,他的免疫细胞表面不但没有完整的CCR5蛋白了,也没有CXCR4蛋白了,结果导致这些依赖CXCR4的艾滋病毒也消失不见了。

  无论如何,柏林病人证明了一件事情:去除CCR5蛋白很有可能是一个有效的防治艾滋病毒侵染的手段——只不过“去除CCR5蛋白”并不是一件容易实现的事情,因为相应的基因编辑无法在所有造血细胞上开展。

  脱靶的剪刀

  行文至此,深圳贺建奎团队所做的实验就很清楚了。他们通过CRISPR/Cas9技术对胚胎(很可能是受精卵)进行了基因编辑,试图破坏所有两个拷贝的CCR5基因,使其均不能生产出完整的CCR5蛋白,从而实现天生抗艾滋病的目的。然而实际上,两个出生的婴儿中,只有一人是两个CCR5基因拷贝均突变成功,另一人则只突变成功了一个拷贝,另一个仍维持完整CCR5的天然状态。

  然而,这种50%的达成率还只是基因编辑中不太严重的问题,更加严重的问题在于:CRISPR/Cas9技术有较高的脱靶率。

  Cas9这个酶用CRISPR提供的模版去与目标DNA进行匹配时,这种匹配并非是严丝合缝的。也就是说,Cas9这位“指纹比对员”有点粗心大意,有时候没有完全对上号,也照样挥刀就切。这种情况发生在细菌抵抗外来病毒DNA时到是无所谓,但是如果用在人类细胞的基因编辑上,可就是“谬以千里”了。这就是所谓的基因编辑“脱靶”现象。

  军训打靶的时候,脱靶大不了得个零环,搞不好还能帮别人多加几环。但是基因编辑的脱靶却可能是灾难性的。要是有一把分子小剪刀在你的基因组里随便乱切,这场景想想都可怕。如果它恰好切在了关键性的其他基因上,就会导致细胞的死亡;如果切在了一个暂时不发挥作用的基因上,就等于是在细胞里埋下了一颗定时炸弹。正是由于脱靶现象的存在,用CRISPR/Cas9进行基因编辑时,顺利的话可以一举成功,但不顺利的时候可能需要重复上百次才能有一次成功。

  而在人类胚胎基因编辑中,脱靶的结果就更可怕。因为这个脱靶所导致的基因破坏,将在婴儿全身的细胞中都出现,包括生殖细胞。这就意味着,他长大之后所生下的后代,有可能仍带着这个被人为破坏的基因。

  不过,这个问题也并非是不可检测的。只要对编辑后的胚胎或婴儿进行全基因组测序,应该就可以发现是否有严重的脱靶现象了。

  无法验证的实验

  姑且不论CCR5的选择是否适应我国更常见的艾滋病毒毒株,也暂且认为两个婴儿都经过了全基因组测序,确定没有脱靶现象,但贺建奎团队的这次尝试仍是一个糟糕的实验设计,因为它的结果无法验证。

  生物学的最大问题在于,生命体太过复杂了,有很多不确定的影响因素。因此,对于一项生物学实验来说,必须直接验证其结果才能得出结论。CCR5基因的破坏,无疑是为了达到抵抗艾滋病毒感染的目的。这个目的并不能通过对CCR5基因测序或检验CCR5蛋白的表达情况来验证,而只能通过病毒侵染实验来验证。

  但是很显然,在人身上做艾滋病毒侵染实验已经不是伦理的问题了,而是一种不人道的行为,是不可能去做的。因此,深圳贺建奎团队所做的实验,其预期结果是无法加以验证的。一个无法验证其结果的实验,又为什么要去做呢?着实匪夷所思。因此已经有人在怀疑,如此不合情理的实验设计,很可能是为了产生双CCR5Δ32的后代,再利用其作为柏林病人的骨髓供体,用于治疗父辈的艾滋病。我真心希望这只是无端猜疑而已。

  如果说CCR5基因的破坏只是一个失败的实验,受影响的只是两条幼小的生命,这根本就低估了贺建奎团队的实验有可能带来的可怕未来。这个可怕未来不在于疾病的治疗或预防,也不在于脱靶可能带来的危险,而是在于人类的“改良”。

  潘多拉的大哥大

  我小的时候,只有极少数人能用得起昂贵的手机。当时的手机又大又沉,落得一个诨名——大哥大。然而随着技术的进步,资本的涌入,手机不断演进,成本也不断下降。到了今天,收入有限的人花一千来块也能买到功能一样不少的智能手机。

  在我看来,深圳贺建奎团队的人类基因编辑婴儿实验,就如同是潘多拉的大哥大。

  就当下来讲,这种技术只是被用于疾病的治疗与预防。但是我们可以想见,如果这种技术被合法化,成为一种民众可以获取的高科技,那么它必将被用于基因的改良。

  今天,当父母手中掌握着更多的金钱资源时,往往就会对孩子的教育进行不遗余力的投入,目的就是为了让孩子“赢在起跑线上”。那么当有一种技术提供了基因改良的可能性时,难道他们不会愿意花大把的金钱来让自己尚未出生的孩子拥有更高、更强、更美的身体与更聪慧的头脑吗?这才是真真正正地“赢在起跑线上”。

  于是,这种只有极少数人用得起的“大哥大”必然带来丰厚的利润,而利润必然吸引更多的资本进入这个领域。随着资本的到来和人才的汇聚,技术的成本必然会下降,直到普通人家都可以对尚未出生的孩子进行基因层面的“优生优育”。

  这一切听起来似乎是个很美好的前景啊!为什么要冠上“潘多拉”之名呢?因为这里的“优秀”基因只是建立在我们当前的认知之上的。但我们现在对于基因的认识仍非常有限,在不久的将来也不会好到哪里去。也就是说,我们现在认为的“好”未必是“好”,而“坏”也未必是“坏”。

  有很多人说:既然人类迟早会走到基因编辑这一步,那么现在出现这个技术与将来出现这个技术又有什么差别呢?让我们先不回答这个问题,而是去想象另外一个问题:如果说一个男孩长大了迟早是会拿刀的,那么现在给他一把刀和将来再给他一把刀有什么差别呢?显然,差别是存在的:将来的他拿到刀,会善加利用,并且会懂得保护自己(如果他成为一个有责任心的成熟的男人);而现在的他拿到刀,只会玩得很开心,不小心就会伤到别人,甚至是伤到他自己。

  对于基因编辑这把刀来说,现在的人类就是个孩子。因为我们对于基因的功能所了解的还太少,太有限,贸然除去我们认为的“坏”,改成我们认为的“好”,并不一定会带来我们想要的结果。就比如说导致镰刀型细胞贫血症的血红蛋白基因突变,直接来看会导致病人身体虚弱,无法承受稍大的身体负担。但是后来科学家们发现,这个突变会让携带者对于疟疾有更强的抵抗能力。而镰刀型细胞贫血症高发的热带地区,恰恰也是疟疾肆虐的地区。如果我们早早就拥有了基因编辑的技术,贸然把镰刀型细胞贫血症的血红蛋白基因突变都修正过来,是否就是功德一件呢?

  退一步进,就算我们所有的基因编辑都是真的“好”,大家都对自己孩子的基因做出一样的“好”的改造,那么结果将是人类这个物种基因多样性的严重丧失。未来某一天,当有一种新的突发传染病出现时,当有某种极端环境来临时,基因整齐划一的人类很可能就失去了战而胜之的可能性。因此,任何人为进行基因层面上的筛选或编辑的行为,都是很危险的尝试,可能把人类这个物种带入万劫不复的深渊。

  该被编辑的我们的心

  关于人类基因编辑婴儿的科学问题,我零零散散地聊了一些背景,都是极为粗浅的。如果大家有兴趣了解更多,不妨自己查查资料,或者去看一些相关的深度科普,也欢迎跟我做进一步的交流。

  至于这次事件背后的伦理学问题和法律问题,已经有太多的报道和讨论了,专业机构也已经介入,我就不必再多说了。但是,我的结论仍是很明确的:这样一个技术上没有障碍,思路上毫无新意,实验设计存在根本性问题,又有潜在危险性的科研项目,根本就不该开始,更何况它还有着严重的伦理学问题。

  然而此刻,作为两个女儿的父亲,我更多想到的却是那两个尚在襁褓中的女婴,以及她们未来的人生道路。

  我想借这个机会再一次呼吁:请所有媒体朋友们和与此事无直接关联的科学家们,都不要试图去寻找这个实验对象的家庭,请不要打扰他们注定将要背负苦难的生活,不要把我们自己拉低到与我们所谴责的人一样的水平上。

  毫无疑问,政府通过调查能够获知这个家庭的信息,也一定会在未来持续给予适当的监督,防止不可预测的事件出现。但是,这些信息必须被严格保密。这些孩子的生活已经注定要受到影响了,不应该再被我们之中某些人的猎奇心所打扰。

  至于很多人关心的两个孩子未来的生育权,我想我们是没有理由去剥夺的。随着技术的进步,以前不建议生育的遗传病患者如今都可以通过试管婴儿技术筛选健康的胚胎了,那么这两个孩子只要通过基因组测序没有发现严重的基因变异,理应保有作为人类的生育权。

  曾经,基因编辑如同是科幻一般,但是今天,基因编辑已经发生在了人类身上,发生在了本不该被编辑的两个婴儿身上。可是我不禁科幻地想:科幻小说中的科学家们不是都要首先在自己身上做实验吗?什么时候科学家们才能对自己的心做一个编辑呢?去掉那些过度贪婪的欲望,去掉那些对于名利的追逐,回归孩子般的好奇心,不忘对生命的敬畏——那才是我们研究生命的初衷吧。

  相关新闻:

  涉事医院回应首例基因编辑婴儿事件:没做过此项目

  实探南科大办公室:贺建奎很少在这里做实验

  和美伦理委员会前成员:基因编辑婴儿申请书签名伪造

  贺建奎谈基因编辑婴儿:为了患者幸福,他愿意受指责

  南科大声明:基因编辑项目是贺建奎停薪留职期间参与

  深圳市医学伦理专家委员会:已对涉事医院进行调查

  广东卫健委:对基因编辑事件已展开调查 及时公布结果

  中国细胞生物学学会:科研伦理的高压线不容碰触

  学界震惊!专家集体声讨基因编辑婴儿的行为

  国家卫健委回应基因编辑婴儿事件:要求广东调查核实

  贺建奎团队回应“基因编辑婴儿”:将于本周三公开数据

  深圳科创委回应“资助基因编辑婴儿项目”:不属实

  “基因编辑婴儿”引争议 广东启动伦理问题调查

  复盘贺建奎的人生轨迹:是谁给了他勇气

  贺建奎团队回应“基因编辑婴儿”:将于本周三公开数据

  贺建奎谈基因编辑婴儿:为了患者幸福,他愿意受指责

  世界首例免疫艾滋病的基因编辑婴儿在中国诞生

  《科学大家》专栏投稿邮箱:sciencetougao@sina.com  来稿请注明姓名、单位、职务

了解更多信息 欢迎关注科学探索微信公众号及微博了解更多信息 欢迎关注科学探索微信公众号及微博
新浪科技公众号
新浪科技公众号

“掌”握科技鲜闻 (微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注)

创事记

科学探索

科学大家

苹果汇

众测

来电聊

专题

官方微博

新浪科技 新浪数码 新浪手机 科学探索 苹果汇 新浪众测

公众号

新浪科技

新浪科技为你带来最新鲜的科技资讯

苹果汇

苹果汇为你带来最新鲜的苹果产品新闻

新浪众测

新酷产品第一时间免费试玩

新浪探索

提供最新的科学家新闻,精彩的震撼图片