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包括《科學(xué)》雜志和《自然》雜志在內(nèi)，在2021年年底進(jìn)行的多項(xiàng)科學(xué)新聞評(píng)選中，基因編輯技術(shù)CRISPR首次直接用于人體臨床實(shí)驗(yàn)并獲得初步療效都名列其中，十分引人注目。
用俗稱(chēng)“基因剪刀”的基因編輯技術(shù)來(lái)治療人類(lèi)疾病，帶給人們無(wú)限的想象空間。那么，它究竟會(huì)怎樣實(shí)現(xiàn)？目前的實(shí)際進(jìn)展又如何呢？
基因剪刀為什么可以治病
正如《自然》雜志2021年10大科學(xué)新聞的介紹中所說(shuō)：“基因編輯技術(shù)CRISPR自問(wèn)世以來(lái)，一直被視為治療疾病的規(guī)則改變者。但是，要使這個(gè)夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)，許多疾病將需要研究人員成功地將CRISPR-Cas9植入人體，并證明它安全有效地編輯了唯一的目標(biāo)基因?！?/p>
基因剪刀CRISPR-Cas最初由西班牙阿利坎特大學(xué)的科學(xué)家弗朗西斯科·莫吉卡在古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，后來(lái)在大多數(shù)細(xì)菌和絕大多數(shù)古細(xì)菌基因組中都發(fā)現(xiàn)了CRISPR-Cas。
CRISPR-Cas是細(xì)菌用來(lái)識(shí)別和摧毀病毒、噬菌體和其他病原體入侵的防御系統(tǒng)，是在生命演化中，細(xì)菌和病毒相互斗爭(zhēng)產(chǎn)生的免疫武器。在自然狀態(tài)下，病毒能把自己的基因整合到細(xì)菌，利用細(xì)菌的細(xì)胞復(fù)制自己的基因。但是，細(xì)菌演化出CRISPR-Cas系統(tǒng)后，可以不動(dòng)聲色地把病毒侵入細(xì)菌的基因從自己的基因組中切除，實(shí)際上這就是一種基因剪刀，可以剪掉入侵的基因。
利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)剪切基因的原理，研究人員可以設(shè)計(jì)出“基因剪刀”，結(jié)合到基因組上的靶序列（目標(biāo)基因）上，對(duì)某段靶序列基因進(jìn)行關(guān)閉或切割。因此，CRISPR-Cas9可以用來(lái)刪除、添加、激活或抑制人、動(dòng)植物細(xì)胞中的目標(biāo)基因。
2013年，CRISPR-Cas9技術(shù)首次應(yīng)用到哺乳動(dòng)物細(xì)胞的基因編輯中。2015年，這一技術(shù)被《科學(xué)》雜志評(píng)為2015年度十大科技突破之首。
對(duì)于治療疾病而言，CRISPR-Cas9可用于靶向和修飾人類(lèi)基因組中30億個(gè)字母序列中的“錯(cuò)別字”，即致病基因，因而能治療多種疾病，尤其是遺傳疾病。
現(xiàn)在，CRISPR-Cas9基因剪刀已經(jīng)應(yīng)用到人類(lèi)細(xì)胞、大鼠、小鼠、果蠅、斑馬魚(yú)、酵母、細(xì)菌、植物等的基因編輯中。對(duì)于人類(lèi)而言，可以進(jìn)行基因組功能鑒定，還可用于抗病毒、治療癌癥和免疫疾病。
以癌癥治療而言，現(xiàn)在動(dòng)物試驗(yàn)取得了重要結(jié)果。CRISPR-Cas9系統(tǒng)不僅可以靶向敲除致癌基因，而且在外源性DNA模板的作用下可以對(duì)突變的抑癌基因進(jìn)行修復(fù)。對(duì)小鼠試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9系統(tǒng)能靶向切割非小細(xì)胞肺癌相關(guān)的致癌基因EGFR，因而能有效抑制非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞的增殖及異體移植腫瘤在小鼠體內(nèi)的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)小鼠的生存期。
除了能治療血液病、癌癥外，CRISPR-Cas9系統(tǒng)和其他CRISPR還可以治療眼病、艾滋病、囊性纖維化、肌肉萎縮癥、亨廷頓病、慢性感染（如尿路感染），甚 至糖尿病等。
基因剪刀治病難點(diǎn)在哪里
但是，CRISPR-Cas9系統(tǒng)的一個(gè)重要缺陷是脫靶，即在切除目標(biāo)基因的同時(shí)，也可以切掉與目標(biāo)基因相似的基因，或者與目標(biāo)基因相鄰的基因，這就可能給患者帶來(lái)嚴(yán)重的副作用。
有研究人員發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9系統(tǒng)作用于人體細(xì)胞時(shí)，平均脫靶率在40%左右。2017年5月發(fā)表在《自然方法》雜志上的一篇文章稱(chēng)，CRISPR-Cas9系統(tǒng)會(huì)引入大量不可預(yù)估的突變到小鼠基因組中，即大規(guī)模脫靶。不過(guò)，后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模的脫靶現(xiàn)象是作者使用了基因背景不明確的小鼠對(duì)照而產(chǎn)生的錯(cuò)誤判斷，因此，這篇文章被撤稿。
盡管如此，CRISPR-Cas9系統(tǒng)的脫靶作用還是引人擔(dān)憂。對(duì)此，研究人員進(jìn)行了探討，為何CRISPR-Cas9系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生脫靶效果。
CRISPR-Cas9系統(tǒng)是一種保護(hù)細(xì)菌免受病毒侵害的防御機(jī)制。病毒侵入細(xì)菌并把一部分基因貯存在細(xì)菌中，這種內(nèi)置的病毒DNA就起著遺傳記憶的作用。如果相同的病毒再次攻擊這個(gè)細(xì)菌（或它的后代），那么細(xì)菌會(huì)快速地識(shí)別這種病毒，并且派遣Cas9蛋白來(lái)追蹤它。Cas9尋找到細(xì)菌細(xì)胞中含有敵意的病毒DNA后，如果發(fā)現(xiàn)它與細(xì)菌基因組中貯存的病毒RNA相匹配，就會(huì)切割這個(gè)病毒基因，由此消除病毒再次入侵的威脅。
但是，Cas9有時(shí)會(huì)引導(dǎo)切割與它正在尋找的靶DNA相類(lèi)似的DNA或RNA序列，原因在于，從演化的角度來(lái)看，細(xì)菌切割這些稍微不同的DNA序列是非常合理的。因?yàn)?，病毒在不斷發(fā)生變異，因而能夠形成略微不同于Cas9尋找的靶基因。通過(guò)切割略有不同的DNA或RNA序列，CRISPR-Cas9系統(tǒng)能夠跟蹤病毒的演化和更好地保護(hù)細(xì)菌免受變異病毒的攻擊。這也是為何CRISPR-Cas9系統(tǒng)會(huì)頻頻脫靶的重要原因之一。
但是，研究人員認(rèn)為，今后可以采取多種方式來(lái)避免CRISPR-Cas9系統(tǒng)的脫靶。首先，可以提高有引導(dǎo)作用的sgRNA的特異性，提高準(zhǔn)確性；同時(shí)減少和控制Cas9-sgRNA的用量，以避免脫靶；還可以改造Cas9蛋白以提高CRISPR-Cas9系統(tǒng)的特異性，降低脫靶率；也可以運(yùn)用Cas9蛋白的“關(guān)閉開(kāi)關(guān)”，避免CRISPR-Cas9系統(tǒng)誤切割正常的DNA或RNA。
如果這些方式都能應(yīng)用，并在實(shí)踐中證明它們能極大地減小脫靶率或者零脫靶，CRISPR-Cas9基因剪刀才有可能真正應(yīng)用于臨床治療疾病。
試驗(yàn)性治療效果帶來(lái)希望
2021年6月，美國(guó)Intellia醫(yī)藥公司和再生元公司的研究人員在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上報(bào)告了他們對(duì)6名患有一種稱(chēng)為轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見(jiàn)疾病患者進(jìn)行試驗(yàn)性治療的結(jié)果，顯示了積極的療效。
轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性是一種危及生命的疾病，患者的主要器官，如神經(jīng)和心臟中產(chǎn)生了錯(cuò)誤折疊的轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白，并逐漸積累，因此引發(fā)神經(jīng)和心血管癥狀，嚴(yán)重時(shí)危及患者的生命。
研究人員研發(fā)出的一種藥物NTLA-2001實(shí)際上就是CRISPR-Cas9基因剪刀，可以有針對(duì)性地持久敲除錯(cuò)誤折疊的轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白。在患者注射后的第28天，研究人員觀察到患者產(chǎn)生了藥物效果，表明通過(guò)靶向敲除轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白可以持久降低血清轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白濃度，從而治療轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性。在給藥后，有些患者出現(xiàn)了輕度不良事件，但所有患者都沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重不良事件。
而在此之前的2020年，美國(guó)的另一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)使用同樣基于CRISPR-Cas9基因編輯療法的藥物CTX001，試驗(yàn)治療β地中海貧血和重度鐮狀細(xì)胞病。
β地中海貧血的病因是珠蛋白基因變異，致使血紅素?zé)o法有效地?cái)y帶氧氣。鐮狀細(xì)胞病是紅細(xì)胞含有異常的血紅蛋白S。當(dāng)紅細(xì)胞中含有大量的血紅蛋白S，容易變形為鐮刀狀。由于鐮狀細(xì)胞僵硬，難以通過(guò)毛細(xì)血管，導(dǎo)致血流阻塞，降低毛細(xì)血管阻塞部位組織氧供給。血流阻塞可以導(dǎo)致疼痛，并且隨時(shí)間延長(zhǎng)，可以導(dǎo)致脾、腎、腦、骨骼和其他器官損害，還可能出現(xiàn)腎衰竭和心力衰竭。
研究人員采用CTX001對(duì)收集的患者的干細(xì)胞在體外進(jìn)行基因改造，然后回輸?shù)交颊唧w內(nèi)。CTX001可以把患者的造血干細(xì)胞改造成產(chǎn)生高水平胎兒血紅蛋白（HbF）的紅細(xì)胞，因而可以對(duì)患者補(bǔ)充供氧。HbF是一種攜帶氧氣的血紅蛋白，出生時(shí)自然存在，然后轉(zhuǎn)換為成人形式的血紅蛋白。CTX001提升HbF水平后可以減輕β地中海貧血患者的輸血需求，同時(shí)減少重度鐮狀細(xì)胞病患者的痛苦和使人虛弱的鐮狀細(xì)胞危象。試驗(yàn)證明，CRISPR-Cas9基因剪刀有初步治療β地中海貧血和重度鐮狀細(xì)胞病的功效。
這兩項(xiàng)試驗(yàn)的突破，大大鼓舞了人們利用基因編輯技術(shù)治療人類(lèi)疾病的信心。當(dāng)然，目前取得進(jìn)展的兩項(xiàng)突破，針對(duì)的還是比較少見(jiàn)的小眾疾病，療效仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。但這給基因編輯技術(shù)治療對(duì)人類(lèi)危害更大的常見(jiàn)疾病，帶來(lái)了啟示和希望。
