作者介紹：梅根·莫爾特尼（Megan Molteni）是STAT News的科學(xué)作家。此前，她是WIRED的一名員工作家，涉及生物技術(shù)、公共衛(wèi)生和基因隱私。她在卡爾頓學(xué)院學(xué)習(xí)生物學(xué)和極限飛盤，并在加州大學(xué)伯克利分校獲得新聞專業(yè)的研究生學(xué)位。

基因醫(yī)學(xué)中最大的兩個(gè)障礙是如何將DNA改變工具應(yīng)用到正確的細(xì)胞上，以及如何改變足夠多的細(xì)胞以使其有效。

CRISPR基因編輯技術(shù)在治療遺傳疾病方面的潛力多年來一直是備受推崇，包括《連線》雜志也曾專門論述。對(duì)一個(gè)家庭來說，基因編輯技術(shù)至少能夠給人們帶去希望，而不是炒作。據(jù)美國國家公共電臺(tái)(NPR)前段時(shí)間報(bào)道，34歲的維多利亞·格雷在接受了數(shù)十億Crispr細(xì)胞的注射一年后，這些細(xì)胞仍然存活，減輕了她鐮狀細(xì)胞病的并發(fā)癥。研究人員表示，現(xiàn)在稱其治愈還為時(shí)過早。但作為美國第一個(gè)用Crispr成功治療基因疾病的人，這是一個(gè)巨大的里程碑。而隨著更多的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中，Crispr基因編輯技術(shù)才剛剛開始。

盡管Crispr的DNA剪切精度很高，但它最擅長的是破壞DNA。在格雷的案例中，Therapeutics公司用Crispr 制造的基因編輯器故意削弱了她骨髓細(xì)胞中的一個(gè)調(diào)控基因，從而促進(jìn)了一種休眠的胎兒血紅蛋白的產(chǎn)生，并克服了一種導(dǎo)致人體血紅蛋白產(chǎn)生不良情況的突變。這是解決Crispr局限性的巧妙方法。但它對(duì)很多其他遺傳性疾病不起作用。如果你想用一個(gè)健康的基因替換一個(gè)缺陷的基因，你需要一個(gè)不同的工具。如果你需要插入大量的DNA，那么用這個(gè)技術(shù)就不行了。

新創(chuàng)業(yè)公司Therapeutics的的首席執(zhí)行官杰弗里·馮·馬爾扎恩(Geoffrey von Maltzahn)則表示，現(xiàn)在已經(jīng)有了新工具。該公司于2018年由總部波士頓的生物技術(shù)投資巨頭旗艦創(chuàng)業(yè)公司(Flagship Pioneering)創(chuàng)立，馮·馬爾扎恩是該公司的普通合伙人。之前，公司獲得了5000萬美元的初始融資。Tessera花了兩年的時(shí)間開發(fā)了一種新的分子操縱器，它除了可以做Crispr能做的很多事情，也可以做一些Crispr做不到的事情，包括精確地插入長段DNA。杰弗里表示，這不是基因編輯。這是“基因?qū)懽鳌薄?/span>

杰弗里表示:“簡單來說，這開創(chuàng)了一個(gè)新的基因醫(yī)學(xué)類別?；驎鴮懩軌驈浹a(bǔ)基因缺失或進(jìn)行簡單的堿基對(duì)改變，而且它的主導(dǎo)作用是全方位的，尤其是對(duì)基因組做出巨大改變的能力?！?br>

理解“基因書寫”原理

為了更簡單化，為了理解基因書寫原理，必須深入研究一場已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十億年的古老的、看不見戰(zhàn)爭的“細(xì)菌-病毒”之間的對(duì)抗歷史。

幾乎只要有細(xì)菌存在，就有病毒試圖攻擊它們。這些病毒被稱為噬菌體，就像一串惡意的計(jì)算機(jī)代碼，試圖侵入細(xì)菌基因組，誘導(dǎo)它制造更多的噬菌體。每天，噬菌體入侵并摧毀世界上大量的細(xì)菌(僅海洋中的細(xì)菌數(shù)量就高達(dá)40%)。為了避免無情的屠殺，細(xì)菌必須不斷進(jìn)化防御系統(tǒng)。 Crispr就是其中之一。這是細(xì)菌竊取噬菌體代碼(DNA或RNA)并將其存儲(chǔ)在記憶庫中的一種方式，就像原始免疫系統(tǒng)一樣。這是地球歷史上持續(xù)時(shí)間最長的軍備競賽，康奈爾大學(xué)的微生物學(xué)家喬·彼得斯說:“這種程度的進(jìn)化壓力已經(jīng)推動(dòng)了操控DNA和RNA的分子機(jī)制的大量創(chuàng)新。”

但是細(xì)菌不僅可以與外部病毒入侵者抗衡。他們的基因組也受到來自內(nèi)部的永久攻擊。在整個(gè)千年中，由于細(xì)菌彼此之間交換著一些DNA，試圖保持在下一波噬菌體攻擊之前，這些基因中的一些進(jìn)化出了移動(dòng)能力，甚至獨(dú)立于其原始基因組的其余部分而復(fù)制。這些稱為“移動(dòng)遺傳元素”，或MGEs，攜帶著自包含的代碼，使機(jī)器可以剪切粘貼或復(fù)制粘貼自己到一個(gè)新的位置，或者在它們的宿主或附近的細(xì)菌中。

這給基因重組的接收端細(xì)菌帶來了真正的麻煩。如果這些MGEs插入到關(guān)鍵基因區(qū)域，它就和細(xì)菌說再見了。彼得斯說:“你可以用看待突變的同樣方式來看待MGEs?！薄皼]有它們，我們就不會(huì)進(jìn)化，但其中99.99999%是壞的。細(xì)菌在不惜一切代價(jià)阻止MGEs破壞它們的基因組?！?/span>

1931年，諾貝爾獎(jiǎng)得主植物學(xué)家芭芭拉·麥克林托克(Barbara McClintock)在玉米中發(fā)現(xiàn)了已知的第一類MGEs，稱為“轉(zhuǎn)座子”，或“跳躍基因”。她對(duì)植物染色體染色的技術(shù)使她能夠看到大塊何時(shí)會(huì)從一個(gè)細(xì)胞跳到另一個(gè)細(xì)胞。但幾十年來，科學(xué)家們一直無法理解這些重復(fù)的自我重組DNA片段的目的。有些人甚至把人類基因組中那些重量級(jí)的部分稱為“垃圾DNA”?！昂茈y獲得研究資金。但漸漸地，像彼得斯這樣的研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌中的MGEs實(shí)際上是一種高度進(jìn)化的系統(tǒng)，用于識(shí)別、書寫和移動(dòng)DNA。

 事實(shí)上，正如美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)研究人員尤金·庫寧(Eugene Koonin)和基拉·馬卡洛娃(Kira Makarova)在2017年所描述的那樣，Crispr本身似乎是從一個(gè)自我合成轉(zhuǎn)座子進(jìn)化而來的。(Crispr編碼一種蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)切割儲(chǔ)存在其遺傳記憶庫中的特定、可識(shí)別的DNA片段。轉(zhuǎn)座子首先讓克里斯普開始積累記憶庫。)

當(dāng)年早些時(shí)候，彼得斯和庫寧發(fā)表了一篇論文，描述了這種進(jìn)化有時(shí)是如何循環(huán)往復(fù)的。他們發(fā)現(xiàn)一種轉(zhuǎn)座子，偷了一些Crispr基因來幫助它在細(xì)菌宿主之間移動(dòng)。他們意識(shí)到這些用于切割、復(fù)制和粘貼的分子工具不斷地在MGEs、噬菌體和細(xì)菌之間穿梭，交替地用作攻擊或防御的手段。在那篇論文的最后，Peters和Koonin寫道，這些系統(tǒng)可能“被用于基因組工程應(yīng)用。”

彼得斯說，不久之后，他開始接到來自商業(yè)利益集團(tuán)的電話。其中一封來自Tessera的首席創(chuàng)新官和聯(lián)合創(chuàng)始人杰克·魯本斯(Jake Rubens)。2019年，該公司開始與彼得斯的康奈爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行贊助研究合作，以發(fā)現(xiàn)具有基因組工程潛力的新MGEs。(Tessera還有其他研究合作伙伴，但公司官員尚未透露具體的合作伙伴。)

MGE有幾種類別。有轉(zhuǎn)座子，它可以把自己從基因組中切出來，跳到一個(gè)不同的區(qū)域。轉(zhuǎn)座子復(fù)制一個(gè)染色體，然后把這個(gè)復(fù)制的染色體運(yùn)送到它的新住所，每次復(fù)制都會(huì)擴(kuò)大基因組的規(guī)模。它們都通過在兩端有特殊的序列來定義它們的邊界來工作。介于兩者之間的是制造蛋白質(zhì)的基因，這些蛋白質(zhì)識(shí)別這些邊界，或者在轉(zhuǎn)座子的情況下將它們切除，留下一個(gè)缺口?；蛘咴诜崔D(zhuǎn)座子的情況下，通過RNA中間物將它們復(fù)制到新的位置，增加基因組的整體大小。還有其他類，但這兩個(gè)是Tessera高管感興趣的。這是因?yàn)槟憧梢栽谶@些序列之間添加一串新的代碼，比如一個(gè)健康的、沒有突變的致病基因，然后讓MGE的機(jī)器完成工作，把治療性DNA移到病人的染色體上。

在過去的兩年里，該公司的生物信息學(xué)團(tuán)隊(duì)一直在挖掘公共數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫保存著科學(xué)家從世界各地收集到的數(shù)十萬種細(xì)菌的基因組序列。在這些海量的遺傳數(shù)據(jù)中，他們一直在尋找可能最適合進(jìn)行這些治療性DNA改變的MGEs。到目前為止，公司科學(xué)家已經(jīng)確定了大約6,000個(gè)反轉(zhuǎn)座子（Tessera稱之為RNA編寫器）和2,000個(gè)具有潛力的轉(zhuǎn)座子（DNA編寫器）。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)

Tessera公司的35名科學(xué)家團(tuán)隊(duì)一直在人體細(xì)胞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以了解每個(gè)細(xì)胞到底是如何工作的。有時(shí)，有前途的，自然發(fā)生的基因作者會(huì)在Tessera的實(shí)驗(yàn)室中作進(jìn)一步的調(diào)整，以變得更加精確或移至其他位置。該公司尚未證明其任何基因作者都能消除遺傳病。但在小鼠模型實(shí)驗(yàn)中，研究小組一直能夠使用它們將大量的綠色熒光蛋白基因拷貝插入到動(dòng)物的基因組中，以此證明他們能夠可靠地放置設(shè)計(jì)DNA。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)讓動(dòng)物們奉獻(xiàn)幾十年了。Tessera公司的方法的不同之處在于，該公司的科學(xué)家只需要注射少量RNA就可以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)小RNA包含它需要的所有信息，以招募必要的酶來制造一個(gè)新的DNA分子，這個(gè)DNA分子為綠色熒光蛋白編碼，然后把它插入老鼠的染色體中。

這是一件大事。因?yàn)檫z傳醫(yī)學(xué)中最大的兩個(gè)障礙一直是如何將DNA改變工具導(dǎo)入正確的細(xì)胞，以及如何改變足夠多的細(xì)胞以使其有效。傳統(tǒng)的基因療法依賴于將健康的基因放入中空的病毒中，這些病毒無法容納大塊的DNA片段。這些治療只能進(jìn)行一次，因?yàn)槿藗兊纳眢w會(huì)對(duì)病毒外殼產(chǎn)生免疫反應(yīng)。使用Crispr的科學(xué)家也遇到了同樣的問題。而這次實(shí)驗(yàn)是第一次成功地編輯體外細(xì)胞，然后將它們注入體內(nèi)的疾病中，比如鐮狀細(xì)胞病和癌癥。在體外，科學(xué)家可以將Crispr的組成部分直接注射到細(xì)胞中，而不是依賴病毒載體。

僅僅通過直接注射RNA就能將新的DNA整合到活體動(dòng)物的基因組中，這是前所未有的。魯本斯說:“據(jù)我們所知，這是第一次有人證明人們可以做到這一點(diǎn)——不僅在遺傳醫(yī)學(xué)上，在分子生物學(xué)上也是第一次?！?/span>

與新型冠狀病毒肺炎主要疫苗制造商之一Moderna采用的方法類似，只需注射一小段RNA，就能讓研究人員更容易治療需要添加大量修復(fù)基因代碼的遺傳疾病?！斑@是一種非常有趣的方法，絕對(duì)值得追求，”基因編輯專家、加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所科學(xué)主任費(fèi)奧多爾·烏爾諾夫(Fyodor Urnov)說。(近幾個(gè)月來，烏爾諾夫幫助將IGI轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)全職的新型冠狀病毒肺炎檢測行動(dòng)。他說，Tessera的管理人員最近聯(lián)系他，希望他加入他們的董事會(huì)，但盡管他很興奮，但他沒有參加行動(dòng)。)

不過，他說，基因書寫技術(shù)最終是否會(huì)優(yōu)于Crispr或其更精確的下一代“兄弟”prime編輯技術(shù)，或目前正在開發(fā)的任何其他新基因編輯技術(shù)，現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)過早。他表示:“我在這一領(lǐng)域工作了三十年，從中學(xué)到的了，只有臨床才能告訴你，哪種技術(shù)最終會(huì)成為治療特定疾病的最佳方法?！?/span>

對(duì)于Tessera來說，這樣的人體試驗(yàn)可能至少還要一年。該公司剛剛開始組建早期制造團(tuán)隊(duì)。到目前為止，他們對(duì)計(jì)劃首先對(duì)付哪些疾病始終保持沉默，只說可能是罕見的遺傳疾病。杰弗里表示:“我們現(xiàn)在想要把我們的注意力盡可能轉(zhuǎn)移到多的變化和工程結(jié)構(gòu)上?！彼f，公司內(nèi)部開發(fā)的RNA書寫器走得最快。但他們的目標(biāo)是在進(jìn)入臨床之前，研制出一套能夠解決許多人類疾病的分子機(jī)器。杰弗里還說:“我們幾乎可以肯定，在未來的幾十年里，基因醫(yī)學(xué)將成為最非凡的新醫(yī)學(xué)類別之一?！?/span>

這個(gè)領(lǐng)域一直在加速發(fā)展：基因療法在首次投入人體試驗(yàn)前，已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年的研究；Crispr基因編輯技術(shù)花了7年；基因書寫可能等不了那么久。（文章轉(zhuǎn)載并翻譯自《連線》網(wǎng)站7月發(fā)布的內(nèi)容）