1月30日，《細胞》雜志網(wǎng)站報道，全球首對靶向基因編輯猴子已在中國出生，完成這一工作的科學家來自南京醫(yī)科大學、云南省靈長類生物醫(yī)藥研究重點實驗室、南京大學等機構。猴子屬于靈長類動物，猴基因編輯的成功將有助于建立猴疾病模型，更好地模擬人類疾病，大大降低藥物研究的風險；同時證明，未來有望定向改造人類基因，治療基因疾病。

科學家采用的是最新基因編輯技術Crispr，可以對目標DNA進行插入、刪除或重寫，類似計算機編輯文字一樣讓科學家對物種的基因進行編輯，而且成功率一般可提高到30%，甚至50%。美國哈佛大學的George Church說，生物學家最近開發(fā)了一些新方法來精確操縱基因，“但Crispr的功效和易用性在各方面都更勝一籌”。

首對孿生靶向基因編輯猴在中國出生

中國科學家給猴胚胎細胞注射定制的RNA，將DNA切割酶Cas9引導至期望的突變位點，引導修改三個基因：一個是調節(jié)代謝的基因Ppar-γ，另一個是調節(jié)免疫功能的基因Rag1，第三個是調節(jié)干細胞和性別決定的基因?？茖W家們在180多個單細胞期猴胚胎中同時靶向編輯了這三個基因。在對15個胚胎的基因組DNA進行測序后，他們發(fā)現(xiàn)其中有8個胚胎顯示出兩個靶基因同時突變的跡象。

研究人員隨后將遺傳修飾過的胚胎轉移到代孕母猴體內，其中一個生出了一對孿生猴。檢測這對孿生猴的基因組DNA，他們證實仍存在兩個靶基因突變。

作者之一季維智（Weizhi Ji）是云南靈長類國家重點實驗室的研究員。他們發(fā)現(xiàn)，這種基因編輯工具可以在胚胎發(fā)育不同階段對目標基因進行多種修改。嬰兒猴目前仍太年輕，尚不能斷定基因編輯是否會產(chǎn)生生理和行為學影響。三年后猴子成年時，還需觀察這些基因編輯對后代是否有影響。

定向改造靈長類意義非凡

以往嘗試對靈長類動物進行遺傳修飾都依賴于病毒方法，其雖然能夠有效地生成突變，但突變位點不可預知，且突變數(shù)量無法控制。中外科學家此前都曾用導入外源基因的方法，創(chuàng)造過轉基因猴，但這并非對猴子自身基因的精確編輯。

近年，科學家開發(fā)了一些無需病毒的方法，但效率很低，如TALEN技術的成功率大約只有1%。最近，國外科學家已將Crispr技術成功用于體外人類細胞，也有人用其他方法精確敲除猴子成纖維細胞的某一基因，但都停留在細胞層面。

而這次中國科學家的研究證明，不僅可以利用Crispr技術高效、精確地編輯靈長類基因，還能培育出個體。

美國哈佛大學的George Church說，生物學家最近開發(fā)了一些新方法來精確操縱基因，“但Crispr的功效和易用性在各方面都更勝一籌”。麻省理工學院合成生物學家張峰（Feng Zhang）是Crispr技術領域的先鋒人物，他表示：“這是重要的一步，它證實了這一系統(tǒng)正在起作用。”

Crispr技術原理

將Crispr技術用于猴子是許多實驗室渴望的目標，麻省理工學院的McGovern腦研究所主任Robert Desimone說他們也計劃將這個技術用于猴。他說中國學者的成功將會增強其他小組使用靈長類開展這一研究的信心。雖然用小鼠可以進行基本的腦生物學和疾病研究，但畢竟不能和猴子比。例如許多藥物對小鼠有效，但對人類無效。猴基因編輯的成功將會吸引藥物公司的注意，特別是神經(jīng)科學領域，科學家有望開展猴疾病模型的藥物效果評價。

Whitehead生物醫(yī)學研究所的干細胞研究員Rudolf Jaenisch是20世紀70年代率先構建第一只轉基因小鼠之人。Jaenisch認為這一研究結果是一個有趣的證明，但卻沒有提供多少科學認知。“下一步是看看我們能從中了解到什么東西。”

作者之一黃行許說，Ppar-γ和Rag1組合突變并不代表任何一種特定的疾病綜合征，盡管每個基因都與人類疾病相關。該研究小組還沒有對猴子的狀況進行全面地分析，他們還必須開展進一步的測試評估突變是否存在于這些動物的所有細胞之中。

黃行許說：“我們的第一個目標是著手去完成這項研究，使之起作用。”研究結果表明，研究人員有一天或許能夠構建出與多種突變相關的其他人類疾病模型。“我們還有許多事情要做。”

猴子基因組編輯的成功，其最大的意義在于，提示這種技術可用于人類。Crispr技術已經(jīng)用于體外人類細胞的基因編輯，但沒有用在人類胚胎上，更沒有培育出個體。科學家相信這一技術可以用于人類，但考慮到安全性因素，距離人體應用仍有很長的路要走。

可一些人似乎等不急了，許多美國Crispr系統(tǒng)的先驅已經(jīng)成立了公司，希望利用這項技術治療遺傳性疾病。Church的實驗室就是首批將該技術應用于人體細胞的實驗室之一。美國波茲曼市蒙大拿州立大學生物化學家Blake Wiedenheft說：“我不認為有任何領域的任何例子能夠說明這項技術發(fā)展得過快。”

當病毒攻擊細菌時，細菌會作出以DNA為目標的防御反應，生物學家利用此機理研發(fā)基因工程技術。

Crispr：蹣跚起步，漸成新寵

這種新基因工程工具于1987年被首次報道，一個研究團隊在某細菌基因的一端觀察到奇怪的重復序列。這一現(xiàn)象當時并未引起太多人的注意。十年后，破譯微生物基因組的生物學家經(jīng)常發(fā)現(xiàn)類似令人費解的模式（一個DNA序列緊跟著幾乎完全相同但以相反方向構造的序列）。這一模式出現(xiàn)在超過40%的細菌和90%的古生菌中。 

很多研究人員假定這些奇怪的序列是毫無意義的，但是2005年，三個生物信息學團隊報告，這些所謂的“間隔區(qū)DNA”通常和噬菌體的基因序列相匹配，表明Crispr在微生物免疫中可能發(fā)揮了作用。加州大學伯克利分校生物化學家Jennifer Doudna說：“這是非常重要的線索。”

馬里蘭州貝塞斯達市美國國家生物技術信息中心的Eugene Koonin等則提出，細菌和古生菌占據(jù)了噬菌體DNA，之后將其作為RNA分子（能阻止外來DNA的匹配）的一個模板保存起來，就像真核細胞利用一個被稱作核糖核酸干擾（RNAi）的系統(tǒng)摧毀RNA一樣。

2007年，丹尼斯克公司（一家總部位于丹麥哥本哈根的食品添加劑公司，目前被杜邦公司收購）的科學家Rodolphe Barrangou、Philippe Horvath等找到了一種能增強細菌防御噬菌體能力的方法。他們能通過添加或刪除和噬菌體DNA相匹配的間隔區(qū)DNA，改變嗜熱鏈球菌對噬菌體攻擊的抵抗力，使公司能夠為食品生產(chǎn)培育更強壯的菌株。一些基本的原理也被揭示出來：細菌具備一種有高度適應性的免疫系統(tǒng)，使得它們能擊退來自某種噬菌體的多次進攻。

在那時，Barrangou（目前就職于美國羅利市北卡羅來納州立大學）并未充分發(fā)揮Crispr的全部潛能。他說：“我們還不清楚這些元素能否像引人注目的基因編輯技術那樣，成為隨時可利用的技術。”

Doudna與目前任職于德國亥姆霍茲感染研究中心和漢諾威醫(yī)學院的Emmanuelle Charpentier開展了下一個步驟。他們獨立梳理了各種和Crispr相關的蛋白質所發(fā)揮的作用，研究間隔區(qū)DNA如何在細菌的免疫防御中發(fā)揮作用。他們很快轉而研究依賴DNA切割酶Cas9的Crispr系統(tǒng)，因為它比其他Crispr系統(tǒng)更簡單。

遭遇噬菌體入侵時，Crispr會作出反應，此時細菌把間隔區(qū)DNA和DNA回文序列轉錄成一串長的RNA分子。tracrRNA（一個額外的RNA片段）和Cas9一起作用產(chǎn)生crRNA（源自間隔區(qū)的RNAs）。Charpentier的團隊于2011年將這一發(fā)現(xiàn)報告在《自然》雜志上。該團隊提出，Cas9、tracrRNA和crRNA一起以某種方式攻擊和crRNA配對的外來DNA。

速度并不是Crispr的唯一優(yōu)勢。Church的團隊正在推廣TALENs（合成核酸酶）在人體細胞中的使用。在3種類型的人體細胞中，Crispr系統(tǒng)能比TALENs更高效地切割目標DNA，且能比TALENs處理更多的基因。為了說明Crispr系統(tǒng)的簡便性，Church的團隊合成了成千上萬的向導RNA序列——可鎖定90%的人類基因。

張峰等人的論文幾乎和Church的同時出現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)Crispr能立刻鎖定和切割人體細胞中的兩個基因。在和馬薩諸塞州懷海德生物醫(yī)學研究所發(fā)育生物學家Rudolf Jaenisch的合作中，Zhang分裂了小鼠胚胎干細胞中的5個基因。

這些工作為培育變異老鼠打下了基礎，這是生物醫(yī)學研究的一個關鍵工具。一個方法是，將突變鼠的胚胎干細胞植入一個正在生長的胚胎中，這能簡單地將Cas9信使RNA和兩個向導RNAs注入老鼠的卵子或受精卵中?；贑rispr，科學家構建人類疾病小鼠模型的速度要比之前快得多，能立刻容易地改變細胞中的多個基因，以便研究它們的相互作用。

根據(jù)Zhang的Crispr技術，一個新的小鼠模型即將在幾周內投入測試。Zhang認為，這種方法并不局限于老鼠。只要你能操縱胚胎并重新植入胚胎，你將可以在更大型的動物（甚至靈長類動物）上開展該研究。

在Zhang和Church的報告在線發(fā)表3周之后，Doudna的團隊和一個韓國研究小組報告稱，他們成功利用Crispr切除了人體細胞的DNA。與此同時，另外一個小組透露，他們利用Crispr創(chuàng)造出變異的斑馬魚。

一系列的研究報告造成了協(xié)同效應，為生物界贏得了廣泛的關注。去年初，北卡羅來納州達勒姆市杜克大學生物醫(yī)學工程師Charles Gersbach說：“如果只是一份報告發(fā)表的話，僅會獲得一些關注。但是當有幾份報告同時發(fā)表時，這便意味著它是大勢所趨。”

突然之間，不僅是食品科學家和微生物學家，很多領域都意識到Crisp的重要性，在接下來的幾個月中，許多科研團隊利用它來刪除、添加、激活或抑制人體、老鼠、斑馬魚、細菌、果蠅、酵母、線蟲和農(nóng)作物細胞中的目標基因，從而證明了這個技術的廣泛適用性。

兩年前，當高彩霞看到Doudna和Charpentier的研究報告后，她被他們的理論所折服。高彩霞的團隊來自位于北京的中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所，已經(jīng)利用“鋅指結構”和TALENs技術在大米和小麥上進行研究。他們通過Crispr，又成功地令大米的4種基因失去功能，這意味著該技術可以用于改良這種重要的農(nóng)作物。至于小麥，她們剔除了一種基因，使小麥獲得了白粉病抗性。Crispr的進展令人興奮，高彩霞團隊的研究報告發(fā)表在去年8月刊的《自然—生物技術》上，與此同時，還有另外4篇關于Crispr在植物和老鼠身上的研究成果的報告同期發(fā)表。

Crispr的使用成本很低：免費的軟件使得設計向導RNA（用于針對特定的基因）的成本為零，另外只需花費65美元便可以從名為Addgene的基因資源庫中獲取基因，來設計自己的Crispr系統(tǒng)。自去年開始，Addgene（共有11個科研小組為它提供了可用于Crispr系統(tǒng)的DNA序列）已經(jīng)見證了5000種Crispr構造的產(chǎn)生。去年7月，Addgene在一周內就收到了（為了設計一種新構造的）100份訂單，Addgene的執(zhí)行董事Joanne Kamens說：“Addgene正在熱賣中。”

（觀察者網(wǎng)綜合科學網(wǎng)，轉化醫(yī)學網(wǎng)，中國科學報等消息）