專訪：未來還會產生更強大的基因組編輯工具 NSR專欄

撰文 | 趙維傑 Kevin T. Zhao（趙天萌）

翻譯 | 趙志磊

責編 | 陳曉雪

1987年，大阪大學的研究者在細菌中發現了一種特殊的成簇DNA重複序列；幾年內，另外兩個課題組也獨立發現了相同的現象。但在當時沒人知道這些序列的功能。在那之後的十幾年中，只有幾個研究組對它進行了研究。直到2005年，科學家們才終於揭示了這些被稱為“成簇規律間隔短回文重複序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）的DNA重複序列的功能：CRIPSR與“CRISPR關聯蛋白”（Cas）相結合，可以在細菌抵抗噬菌體感染的適應性免疫系統中發揮重要作用。具體來講，CRISPR序列可以轉錄為靶向RNA分子，將Cas酶引導至病毒DNA的特定位點並進行DNA切割，從而抵抗病毒感染。

科學家們很快意識到，這種天然的細菌免疫系統可以被改造為一種強大的基因組編輯工具。已有的基因組編輯工具，如鋅指核酸酶（ZFN）和類轉錄激活子效用核酸酶（TALEN），都是依賴蛋白質-DNA的相互作用來將酶靶向引導到特定的DNA序列。要想編輯不同的DNA序列，就需要設計、改造和演化出能夠與之相互作用的蛋白質，這一過程既困難又費時。與此相對，CRISPR/Cas系統利用引導RNA（guide RNA）和目標DNA之間的“沃森-克裡克鹼基配對”來把複合物定位到特異的DNA序列上。這個特性讓使用者可以簡單地改變引導RNA的序列來匹配新的DNA靶標，從而把複合物定位到所需位點。

從那時起，無數有天分的科學家進入這一領域。十年之間，他們就把CRISPR/Cas系統發展為強大的基因組編輯工具，並將其應用到微生物、植物、動物，甚至是人類胚胎。美國哈佛大學和博德研究所教授、霍華德·休斯醫學研究所研究員David R. Liu（劉如謙）就是其中之一。David對這一領域做出的最重要貢獻之一是開發了“鹼基編輯”（base editing）方法：把CRIPSR系統從切割DNA的“剪刀”變為了能夠改寫特定鹼基的“修正器”。這項發明打開了精確基因組編輯的大門，為治療眾多單鹼基突變造成的遺傳病帶來可能。在這篇專訪中，David談到了這個激動人心的基因組編輯時代。

未來還會有更強大的基因組編輯工具

NSR：CRISPR系統在這些年的主要發展有哪些？

Liu: 在CRIPSR的生物學機制和應用方面，科學家們都有很多重要的發現。其中很多發現揭示了這種細菌免疫系統的天然機制和組份。這些生物學發現又掀起了以各種方式應用CRIPSR系統來操作基因組和表觀基因組的熱潮，包括切割DNA、鹼基編輯、激活或者關閉基因表達等等。

在將來，這些領域肯定還會有更多發展。很多專注又有天分的人都投身於基因組編輯領域。在可預見的未來，現有的基因組編輯系統會持續得到優化，新的系統也會不斷湧現，給生命科學帶來新的可能性。參與相關研究如此激動人心的原因也正在於此。

NSR：CRIPSR面臨的挑戰有哪些？

Liu：有些情況下，要把CRISPR精確定位到基因組的正確位置會有困難。另一些情況下，要把CRISPR遞送到正確的細胞，尤其是病人或者動物體內正確的細胞中，也有困難。我們還必須更好地理解脫靶效應，需要了解脫靶事件發生後會產生哪些後果。在使用CRISPR治療遺傳疾病患者之前，我們必須確保它是安全且有效的。

NSR：那其他基因組編輯工具呢？它們會被CRISPR取代嗎？

Liu：基因組編輯是一個很廣闊的領域。當我們在不同領域，比如農業或者醫學領域，進行基因組編輯時，我們常常需要不同的工具來解決不同的問題。沒有一個單一的工具可以滿足所有應用的需求。如果你的目標是做某一特定類型的點突變，那麽鹼基編輯器（base editor）有很多優勢。但如果你的目標是插入或者剪切一大段DNA，那鹼基編輯器就不那麽有用了。如果你要編輯人類病人，你需要確保不想要的編輯發生的頻率足夠低，不致於對病人產生危害。但如果你要編輯植物來育種，那麽那些不想要的編輯事件可以很簡單地通過篩選一百棵不同的幼株來規避。因此我們總是需要各種工具來最廣泛地讓社會受益。我認為ZFN、TALEN、CRISPR-Cas9核酸酶、鹼基編輯器、表觀基因組修飾工具和其他基因組編輯工具都會在這個領域的日益繁榮中持續發揮重要作用。

NSR：未來會有更強大的新的基因組編輯工具出現嗎？

Liu：會的。歷史告訴我們，在基因組編輯領域，每一年都會有新的工具出現，來不斷重新定義什麽是“現有最高水準”。所以很容易就可以預測到，新的基因組編輯工具會不斷提高我們的能力，有時是建立在已有工具的基礎上。

接下來的十年會非常激動人心

NSR：這些工具的臨床應用進展如何？

Liu: 你可能知道，CRISPR在一些國家已經進入了人體臨床試驗。從近期的動物試驗結果來看，體外和體內的基因組編輯技術都在治療人類疾病方面很有前景。這些工具可以代表新一代的醫學。對於由遺傳因素導致的疾病，它不是治療疾病的症狀，而是從根本上糾正疾病的病因。這是一個非常激動人心的可能性，但也需要非常謹慎地發展，需要全世界科學家、倫理學家和監管部門的共同參與。

NSR：基因組編輯療法何時可以被批準用於普通病人？

Liu：如果在未來5年內沒有開展很多的臨床試驗，我會感到非常的驚訝和失望。而臨床新藥的批準可能在未來的5到10年內發生。最先被瞄準的可能是那些很嚴重的、造成很多痛苦和死亡、但還沒有有效療法的疾病。接下來的10年會非常激動人心，我們將可以看到CRISPR生物學和基因組編輯工具的發展如何更好地使病人受益。

基因組編輯不可能製造出完美嬰兒

NSR：公眾對基因組編輯有很多誤解。科學家怎麽樣更好地和他們溝通？

Liu：這是很重要的一點。科學家需要幫助公眾理解基因組編輯和CRISPR系統的能力。同樣重要的是，科學家應該更好地向公眾普及更基本的遺傳學知識。我們被問到的很多問題，比如“你們能不能用CRISPR來製造超級聰明或者非常強壯的嬰兒？”，都反映了提問者基本遺傳學知識的匱乏。

並沒有一個單獨的基因可以決定你的智力。實際上像智力這麽複雜的性狀可能是上千個基因和環境共同作用的結果。所以在我看來，基因組編輯不可能製造出經過設計的擁有完美智力或者類似特徵的嬰兒。而且，在人體中開發和測試基因組編輯所需要的精力和資源都非常巨大。如果你有一個得了遺傳病的孩子，被診斷出很快就會去世，那這是一個非常嚴重的問題，人們投入巨量的資源來治療這樣的人群是合理的。但是讓人的頭髮變亮、讓人跑得更快或者音樂演奏得更好？我懷疑這些課題可能永遠不會成為基因組編輯研究者的目標。

NSR：一些研究者已經嘗試讓動物擁有更多的肌肉。

Liu：是的。但這其實是在很多年前就通過育種的方式實現的，完全不需要基因組編輯技術。MSTN（編碼肌肉生長抑製素的基因）和其他基因的自然突變讓動物擁有更多的肌肉。基因組編輯只是給我們提供了一種更快的方法，來將這些自然產生的突變轉移到特定動物體內。

在基因組編輯之前，我們使用選擇性育種這種原始但有效的方法來操作動植物的基因組的歷史已經有幾千年了。我希望公眾能夠明白，有目的地操縱基因，並不是基因組編輯技術帶來的新事物。幾千年來，人類一直通過選擇性育種做著相同的事情，基因組編輯只是提供了更為高效和精確的基因操縱方法。

NSR：這些資訊怎麽可以傳遞給公眾？

Liu：當然，科學家能夠並且應該找機會直接和公眾接觸。但我同時認為，政府應該建立機制來確保關於這些重大發展的主要資訊能夠被公眾獲知。不止是科學家有義務，整個社會，包括政府，都有義務圍繞這些重要問題作出縝密的決定。

領域內有太多重要貢獻者

NSR：你現在的研究興趣是什麽？

Liu：我的團隊將化學方法和蛋白質演化方法相結合，來研究生物學問題並發展新的療法。我們有三個大的研究方向。第一是開發和應用基於DNA模版的合成方法，來發現擁有有趣生物學特性的合成小分子和聚合物。第二是開發和應用蛋白質演化方法，包括噬菌體協助的連續演化（phage-assisted continuous evolution，PACE）方法，來讓蛋白質演化出研究者感興趣的生物學特性。第三個當然就是鹼基編輯和基因組編輯。所有這些領域都是為了給患有不同疾病，包括遺傳性疾病的病人提供新的治療方法。

NSR：酶的定向演化技術獲得了2018年諾貝爾化學獎。這和你的研究有關嗎？酶的演化技術能否促進基因組編輯技術？

Liu：我們團隊是融合基因組編輯技術和蛋白質演化技術的。我們使用蛋白質演化來得到TALEN蛋白、CRISPR-Cas9蛋白和鹼基編輯器的變體，讓它們獲得有用的新特性。

基因組編輯與酶演化之間有著天然的聯繫。自然存在的基因組編輯蛋白並沒有演化出科學家和醫生需要的最佳特性。為了賦予這些天然蛋白質新的特性，讓它們更加適用於基因組編輯，我們需要使用蛋白質工程和演化技術來得到這些蛋白更有用的新形式。

NSR: 每個人都相信CRISPR將在幾年內獲得諾貝爾獎。這一領域裡有哪些重要人物可以成為候選者？

Liu：有太多人對這個領域做出了重要貢獻，我不太可能在這麽短的訪談裡把他們都列出來。不過我確實同意這個問題背後的前提，基因組編輯對科學產生了如此顛覆性的影響，並且開始對社會產生影響，它值得一個諾獎。但我也希望人們能夠意識到把獎頒給或者不頒給某個發現並不總是和這些發現的重要性相匹配的。

注：本訪談文章將收錄於NSR"基因編輯”專題（特邀編輯：高彩霞，李勁松）

本文英文原文於2018年11月23日在線發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR ），原標題為“An exciting time for genome editing: an interview with David R. Liu”，大標題與小標題均為編者加。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。