2017 年基因编辑疗法盘点 | 人类成功「敲除」突变致死基因,并向蚊子发起了「种族灭绝」

摘要

一把基因剪辑「刀」,剪掉无数「烦恼」。

1953 年,科学家沃森和克里克发现了 DNA 双螺旋结构,自此之后,人们知道了遗传信息是由基因构成和表达。1963 年,基因双螺旋论被提出十年后,新一代科学家正式提出基因编辑疗法——通过敲除或替代某部分基因,让基因表达发生改变,增加或减少某些细胞功能,以治疗、治愈某些疾病。

近年来,随着可以对具体基因进行编辑的 CRISPR 技术出现,基因编辑的难度开始大幅降低,越来越多的生物学家和医疗学者开始钻研,如何让基因编辑更安全、更有效。基因剪辑的成果也因此越来越多。

2017 年,是基因编辑疗法集中爆发的一年。今年《自然》评选的年度十大科学人物中,就有两个和基因编辑疗法有关。在这一年的年末,极客公园选取了十二个具有代表性的成果,分为人类医疗实践、动植物基因编辑探索、基因编辑技术进展三大类,与诸位读者分享。

人类医疗实践新突破

  • 基因剪辑给「泡泡男孩」换皮

(利用基因编辑技术给小男孩移植正常的新皮肤 图|连线

重症联合免疫缺陷病 (简称 SCID) 是一种先天性免疫缺陷疾病,由于患此病的多为年幼的男孩,而且他们身上往往会长满会腐烂的水泡,因此患者又被称为「泡泡男孩」。这些患者的病因是体内 LAMB3 基因存在功能性故障,无法产生能固定住内外层皮肤的特殊蛋白质。

此前,SCID 患者无法根治,只能将其隔离在无菌环境中,尽量减少细菌病毒对他们的伤害。但现在,意大利摩德纳实验室的科学家通过基因剪辑,成功治愈了一位罹患 SCID 病症的德国小男孩。

科学家利用病毒将一个功能正常的 LAMB3 基因编入男孩的存在缺陷的基因中,然后,在实验环境中培养这些皮肤细胞,直到这些细胞长成一块「新皮肤」。在经过数次「新皮肤」移植后,男孩在今年终于恢复健康,并重新回到校园。

基因剪辑又成功为人类提供了一种疑难杂症的解法。

  • 人类首例体内基因编辑手术在美进行 

一月,加州大学旧金山分校儿童医院首次尝试在人体内直接进行了基因编辑。科学家向一名 44 岁的患者血液内注入了基因编辑工具,以永久性改变基因的方式来治疗亨特氏综合征。亨特氏综合征是一种罕见的、威胁生命的遗传性疾病,由基因突变导致,患者细胞代谢废物无法分解,累积在组织器官中,最终产生机能障碍。

此次科学家采用的基因编辑工具是第一代基因编辑工具——锌手指核酸酶技术,该技术进行定位的序列更长,操作相对复杂,但基因编辑的精准度相对更高。新治疗将在三个月内见效,如果成功,基因编辑疗法或将进入一个全新的发展阶段。

科学家可以直接在人体身上「编辑基因」来治病了。

  • 美国第一个基因疗法获准正式面市

(《自然》年度科学人物艾米丽·怀特黑德 图|《自然》)

2012 年,一位名叫艾米丽·怀特黑德的小女孩白血病化疗后复发,濒临死亡,为了留住生命的最后一丝希望,她选择成为第一个接受基因编辑CAR-T治疗的患者。经过这种CAR-T疗法进行基因编辑,患者的免疫细胞可以识别和攻击癌细胞。经过治疗后的她,现在已经完全康复。

今年,艾米丽·怀特黑德和他的父亲——CAR-T 疗法的主要推动者,一起站在 FDA(美国食品药品监督管理局)面前,讲述她五年前如何从濒死,到接受这种崭新的疗法获得新生的经历。她的故事展现出无数白血病患者所面临的困境:他们无奈地即将失去生命,家人同样面临失去亲人的巨大痛苦。最终,这项技术获批进入临床阶段,成为美国第一个正式上市的基因疗法。

艾米丽因推动 CAR-T 技术获批被《自然》杂志评为年度科学人物。

  • 可治疗致盲眼疾的基因编辑疗法获 FDA 审批

12 月 19 日,FDA批准了一种新的基因治疗药物 Luxturna,用于治疗可导致失明的遗传性视力疾病——莱伯先天性黑蒙症。

莱伯先天性黑蒙症是一种隐性遗传的视网膜病变,患者在出生一年内就可发病,病情会逐渐加重,最终失明。据统计,全球每 10 万人中有 2 至 3 位患有此病。科学家陆续发现了 22 个会导致该病的基因,其中 RPE65 基因是较为常见的一个。

如果 RPE65 基因存在缺陷,就无法制造某种人体必需蛋白质,导致视力恶化。而Luxturna 疗法就是通过向患者视网膜注射带有正常的 RPE65 基因的病毒,将正常基因送入患者体内的细胞核中,使患者机体可以正常产生相应蛋白质,这样患者就能被治愈。

又一个被批准上市的基因编辑疗法。

动植物基因编辑技术新探索

  • 基因编辑造出黄色三眼无翅蚊,灭绝蚊子可成真

(这些转基因蚊子可以减轻疾病的传播 图|加州大学河滨分校)

加州大学河滨分校的研究人员通过基因编辑技术,培育出一种转基因蚊子,可导致该类蚊子灭绝。通过实验,科学家将控制蚊子的视线、飞行和摄食的部分基因敲除,并使用名为复用的方式在多个位点上干扰上述目标基因。经过这种基因剪辑的蚊子没有翅膀,通体黄色,而且有三只眼睛,向人类传播疾病的机会大大减小。

随着实验的迭代,加州大学河滨分校的研究人员在计算机上模拟了这种技术后发现,被破坏的基因被传递到蚊子后代的几率可以增加到 100%。这意味着,如果将这类经基因改造后的蚊子投放到自然界,很有可能导致蚊子灭绝。

不过,科学家担心没了蚊子会导致生物圈崩溃。

  • 日本收获经过基因编辑后的水稻

日本农业和食品产业技术综合研究机构在 10 月 31 日发布公告称,他们收获了首批运用「基因组编辑」技术改变基因并在室外栽培的水稻。

该机构利用基因编辑,改变了控制水稻穗数和颗粒大小的基因,并在今年 5 月在室外进行了种植实验。日本方面表示该技术可以增加水稻产量,但暂时还未透露这类经基因编辑的水稻的具体产量。

不知道是不是因为还比不过杂交水稻的产量。

  • 中国科学家利用基因编辑,造出「瘦肉猪」

(图|视觉中国)

10 月,中国科学院动物研究所赵建国研究团队称,他们通过基因编辑向猪细胞内插入一种叫解偶联蛋白1(UCP1)的基因,可减少脂肪沉积,增加瘦肉率,最终培育出的猪比正常猪脂肪少 24%。

另外,研究团队称插入 UCP1 基因后的猪的活动量没有缩短,也没有造成能量浪费。这些经过基因编辑的猪在生长 6 个月被屠宰后,体重和饲料转化率与野生型猪无异。此外,有一只实验雄性仔猪与其他母猪交配,成功生出了健康后代。目前,这项研究成果已经发表在美国的《国家科学院学报》上。

不打瘦肉精的「瘦肉猪」,你会吃吗?

  • 美国生物学家用基因剪辑攻克小鼠艾滋病毒

今年四月,美国天普大学华人科学家胡文辉等人报告说,他们利用基因编辑技术,在一种能够潜入宿主免疫系统的病毒中插入一段可攻克艾滋病毒的基因,试图从受艾滋病毒感染的细胞中斩断艾滋病毒。针对体内有人源性艾滋病毒的小鼠的实验结果显示,这种方式的确有效地剔除了小鼠多个器官组织中的人类艾滋病病毒。

另外,此前胡文辉和他的团队还曾成功利用基因编辑技术,有效清除了体外培养的人类细胞系、艾滋病患者体内取出的T免疫细胞以及转基因小鼠体内的艾滋病病毒。

或许用不了多久,艾滋病就可以通过基因编辑治愈。

基因编辑技术新探索

  • 新成像技术用「基因剪刀」酶搜寻变异基因

弗吉尼亚联邦大学科学家 11 月发布公告称,他们研发出一种全新纳米成像技术,能更快、更准地为大片段基因组绘制图谱。新技术将高速原子力显微镜(AFM)与「基因剪刀」CRISPR 化学条形码技术相结合使用,让 CRISPR 酶只与变异基因结合,不对其剪切,从而为致病性基因变异提供了革命性诊断工具。

用纳米级精度「显微镜」看基因,自然更清晰。

  • 华人学者开发出全新「碱基编辑器」 

(《自然》年度科学人物艾大卫·刘  图|《自然》)

今年,华人科学家大卫·刘也在基因编辑技术方面取得了重大突破——他所在的团队用一种新的酶解决了此前基因剪辑通用技术 CRISPER 中存在的缺陷。虽然 CRISPR 是目前基因剪辑最主流的办法,但并非完美。比如,CRISPR 不能可靠地重写某些细胞中的 DNA 片段。

今年十月,大卫·刘带领马萨诸塞州剑桥大学博士学位的研究小组发表了他们调整 CRISPR 系统后的成果。他的团队发现了第一个能使活细胞基因组发生单字母变化的酶,要比传统 CRISPR 系统更可靠、可预测。大卫·刘的方法已被尝试用于从小麦到斑马鱼、小鼠等一系列生物,并取得实验阶段的成功。国内研究人员甚至发表报告称,他们使用刘的技术纠正了人类胚胎血液疾病的单字母突变或点突变。

这项新的技术理论上可以逆转 48%人类已知的基因致病性点突变。

  • 华人科学家发现核糖核酸基因编辑新「剪刀」

华人科学家张锋和他的团队 10 月在美国《科学》杂志上报告称,他们在 CRISPR 工具基础上开发出了 REPAIR 编辑系统,利用一种特定酶和一种特定蛋白质,可高效修改与疾病相关的 RNA 单个碱基。

张锋团队在实验中人工合成了会造成范可尼贫血和X-连锁肾性尿崩症的基因突变,并将这些突变引入人体细胞中,最终成功利用这一 RNA「剪刀」在 RNA 层面上修复了这些突变。由于 RNA 可在人体内自然降解,因此利用这种新「剪刀」进行剪辑,不会导致人类基因组的永久改变,反而可以进行「一个潜在可逆的修复」,为基因编辑的基础研究和临床治疗提供一个新思路。

永久「删除」基因的确不够安全,张峰这是发明了一剂后悔药啊。

  • 韩春雨撤稿

(图|视觉中国)

2016年 5月 2 日,韩春雨在《自然·生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上发表了一篇关于基因剪辑的论文,宣称他和他的团队发明了一种全新的基因编辑技术——NgAgo-gDNA,该技术比目前主流的CRISPR-Cas9 编辑基因技术要更完善,剪辑效果更佳。

论文发布后,包括中国在内的科学家按照论文进行重复性试验,但绝大多数实验宣布以失败告终。随后,多国科学家要求韩春雨公布实验原始数据,并对存在的问题进行解释。韩春雨方面坚称他的研究没有作假,但在今年 8 月 3 日,《自然·生物技术》发布声明称,韩春雨团队已主动提出撤回在该刊发布的论文。

韩春雨:我确定 NgAgo 真能进行基因编辑,还会继续做

责任编辑:双筒猎枪

头图来源:视觉中国

最新文章

极客公园

用极客视角,追踪你最不可错过的科技圈。

极客之选

新鲜、有趣的硬件产品,第一时间为你呈现。

顶楼

关注前沿科技,发表最具科技的商业洞见。