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从“基因编辑” 到“碱基编辑”——有望治疗地中海贫血症

作者: 陈秀兰 魏荣瑄 【字号: 访问量:

近几年来,基因编辑成了各科学领域的热点,它像狂风暴雨一样席卷细菌、酵母、动植物和医学包括人类胚胎等整个生命科学,並且已经带来了很多的突破。

基因编辑是对DNA序列进行切除、插入、替換等操作,即给基因做“手术”,使人们可以根据自己的需要改写基因这本由DNA写成的生命之书。

自从基因编辑伸向人类胚胎,一场伦理爭论从来就没停过。由于规律成簇的间隔短回文重复序列系统(CRISPR/Cas9) 在治疗疾病及其他方面的强大功能,科学家感到惊讶之余,还因此技术指向人类胚胎而担忧。2015年,中国科学家是第一个吃螃蟹的人,黄军就研究团队利用此技术改造人类胚胎,被不少学界人士认为逾越了研究的伦理和安全底线,但这项研究却直接促进2015年底国际人类基因编辑峰会的召开。会后发表声明,为治疗疾病等目的而利用此技术修改人类胚胎或生殖细胞的工作开了绿灯,但也划出了禁止出于生殖目的而这样做的红线。由于黄军就等的研究是里程碑式的标志性工作,黄军就被选入“自然”杂志2015年十大科学人物,当选中国2015年科技新锐人物。亊隔不久,2016年2月,“自然” 杂志报道,英国机构批准研究人员编辑人类胚胎基因的申请,这是世界上相关研究首次获得国家监管机构的批准。2017年10月6日,“细胞” 杂志子刊发表了我国科学家裴端卿等十位学者署名文章,呼吁合理放开人类胚胎研究。

他们建议,成立学术联合会协调国际合作,推动科学研究向4个方向努力——完成包含调控网络的人类胚胎发育的细胞谱系图;绘制从受精卵到原肠胚的人类胚胎单细胞解剖图;完善胚胎发育中遗传缺陷的数据库;建立服务于人类胚胎研究的共享工具和资源平台。

要想知道一种技术具有多大的革命性,一个最明显的标志就是研究人员迅雷之势开始应用该技术解决各自的研究问题,若以此标准来衡量,CRISPR/Cas9可说是这半个世纪以来最强大的生物学工具之一。当前,此技术不仅炙手可热,而且有些方面已经触手可及。

基因编辑技术初见成效

自从2011年发眀CRISPR/Cas9技术,带来了一场全新的生物技术革命,在多个科学领域取得显著成果,列举几项:

1。异种器官移植,渐行渐近

数十年来,面对人体器官数量匮乏,科学家们拟利用猪器官移植给苦苦等待手术的患者。猪器官移植给人最大的问题是排异反应,临床试验一直受挫。上世纪90年代,科学家培育了200多只携带人类基因的转基因猪,正准备移植时,却发现猪基因组里含有内源性逆转录病毒的序列对人体有潜在健康风险,试验中断了。

2015年,科学家报道利用CRISPR/Cas9去除猪的病毒,扫清异种动物器官移植的一大难题。据报道,2016年,科学家用一颗来自转基因猪的心脏在猴子体内存活了945天,没有被排斥,虽然数据不足以说明临床试验的可行性,但也表明猪器官移植給人的研究又前进了一步。

科学家利用此技术培育出抗呼吸障碍综合征猪仔、抗病毒猪;高瘦肉率梅山猪;生产人血白蛋白猪; 无角奶牛免去割角的痛苦及不慎伤人之虞;其它动物如猴、狗和绵羊的DNA也能被改变等等。

2。 培育植物新种质,缩短育种时间。

中国科学家用此技术让小麦具备长期抗白粉病的品性,震惊了农业界;敲除BAOH2基因,实现了对水稻特定基因的定点突变,创制香米新种质;培育抗褐变蘑菇等等。

3。 医学方面

科学家利用此技术治愈一岁患白血病的女孩Layla;治疗20多名艾滋病患者;剪断DNA的锌指核酸酶,此酶能修正一个导致血友病的基因缺陷;用此技术剪掉罹患杜氏肌营养不良症的小鼠部分缺陷基因,有望治疗肌肉萎缩症等等。

碱基编辑删除“致病基因”

2017年,中国科学家黄军就研究团队在全世界率先证明,修改遗传密码30亿个碱基对中的一个碱基,就有可能消除地中海贫血症这种血液病。

什么是地中海贫血症

1925年,由Cooley和Liu首次描述的一种疾病,因最早是在地中海地区发现的,故将此疾病称为地中海贫血症。此病是一组遗传性溶血性贫血疾病,一种隐性遗传病。据报道全世界约有4亿地中海贫血症基因携带者。该病分布于世界多个地区,东南亚是高发区之一,我国广东、广西、四川多见, 长江以南各省有散发病例,北方少见。

此病由于常染色体遗传性缺陷引起珠蛋白链合成的障碍,使一种或一种以上珠蛋白数量不足或完全缺乏,红细胞被溶解造成溶血性贫血。正常人血红蛋白中的珠蛋白,是由四条肽链 组成,本病由于珠蛋白基因的缺失或点突变所致。组成珠蛋白的肽链有4种,即abγd链,分别由相应的基因编码。4种类型中以ab地中海贫血为常见,中国南方人群常见的是b型。

地中海贫血症的症状和治疗

地中海贫血症的临床表现呈多样性,轻者无自觉症状,体检才发现轻度贫血或红细胞参数异常;重型胎儿全身水肿,多死于腹中戓出生几分钟内死亡;中型患儿出生时正常,但6个月后发病,表现进行性溶血性贫血,肝脾大,无有效治疗方法,只能靠输血维持生命,多死于青春期。目前,造血干细胞移植是唯一能治疗的方法。但要找到相匹配的脊髄的异体捐赠者的几率有限。

地中海贫血症病情严重,但可防可控,即推广婚前、孕前和产前检査。对夫妇双方是地中海贫血症携带者,要杜绝中重型地中海贫血儿的出生。近几年,隨着基因编辑技术的发展,人们开始尝试从胚胎期根治此类疾病。

2014年4月至9月范勇研究团队从87名志愿者那里收集了213个原本不能正常发育的人类胚胎细胞。研究发现,26个人体胚胎细胞中,只有4个细胞的基因被成功修饰,由此表明CRISPR-Cas9技术在早期人类胚胎精准编辑方面仍存在技术瓶颈。(文章2016年才发表,这是中国发表全球第二篇人类胚胎基因编辑研究结果)

2015年,黄军就在世界上首次利用CRISPR技术,将无法发育的86胚胎进行基因剪切,有71个胚胎存活。在检测54个样品中。有28个胚胎的基因被切割,有4个被切割的胚胎仍可引起疾病。黄军就表示,必须要有100%的成功率才可应用,此技术尚不成熟。

b型地中海贫血症源于基因密码中单个碱基的一个错误引发(这种错误称为点突变) 的,即由一个碱基G和A的变异导致的。理论上,只要通过碱基编辑,修正这个碱基,疾病就能根治。

2017年,黄军就研究团队用CRISPR技术,在人胚胎中删除并修正导致地中海贫血症的异常基因即将碱基G改为A从而修正错误。他们是第一个通过碱基编辑系统证实在人类胚胎中治愈遗传疾病可行性的团队,这项研究为治疗和预防新生儿患 ?型地中海贫血症,甚至为其他遗传性疾病打开新窗口。杜氏肌营养不良症、帕金森、癫痫病也与此类似。

美国华裔科学家戴维刘(David Liu)称此技术为“化学手术”。采用化学方法直接对DNA碱基走进行编辑,它更有效,比CRISPR的副作用小。他指出人类基因变异中,遗传突变的疾病有2/3同点突变有关,因此还有大量的遗传病可能通过该系统获得治疗。

黄军就等的实验,首先制备了一批克隆胚胎。将来自b地中海贫血症患者的皮肤细胞取出细胞核,把此细胞核放入去细胞核的卵细胞中,这些带有中海贫血症突变的卵细胞,发育成早期胚胎。他们实验所用的人类胚胎是在实验室合成的,沒有植入任何母体。黄军就表示无论从技术或伦理上,研究的路还很长很长。

科学家达伦·格里芬(Darren Griffin) 说,这项工作代表了一个重要技术的突破,和CRISPR不同,它是采用化学方法直接对DNA碱基进行编辑的一种应用。此过程不必破坏DNA的双螺旋结构,副作用小。

碱基编辑新工具

2017年10月25日《科学》杂志报道了RNA碱基编辑的突破。张锋团队在CRISPR工具基础上开发了REPAIR编辑系统,其基本元件是一种取名为PspCas13b的酶和ADAR2蛋白。“REPAIR” 可高效地修复RNA的单个核苷,因不会改变DNA信息而更加安全,将为基础研究和临床治疗提供一个新的工具。

一个美国团队在《自然》杂志报告说,通过一种新型的《腺嘌呤碱基编辑器》(ABE) 实现了从AT到GC互变的途径,即可能实现高效、可选择性地在基因中替換碱基。而张锋达到一步升級到RNA碱基的编辑。 DNA碱基编辑虽然编辑的范围从一个片段缩小到单个碱基, 提高了定点切除的精准度,但被编辑的对象仍然是DNA碱基,还不能完全消除人们对遗传损伤的担忧,如果被编辑的对象是DNA(碱基) 的转录物RNA,遗传“中軍帐” 未受损耗,情况就大为不同。DNA发出“错误指令”,经RNA转录,翻译给蛋白质并执行功能,就有疾病的表现。若中途拦截、矫正RNA上的错误信息,让蛋白质接受正确的信息,就可起到治疗疾病的效果。

作者简介:
陈秀兰:中科院遗传发育所研究员,研究方向为动物遗传学。
魏荣瑄:中科院遗传发育所研究员,研究方向为细胞遗传学。