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羅永倫:為何高中生都能操作的基因編輯,會是諾貝爾級的神器? | 造就

 造就Talk 2023-09-14 發(fā)布于上海
羅永倫

丹麥奧胡斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系

基因組編輯和再生醫(yī)學(xué)副教授


大家下午好,我叫羅永倫,現(xiàn)在是丹麥奧胡斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)系的副教授,我的工作主要是利用干細胞,還有大家比較熟悉的豬,以及基因編輯這項比較熱門的技術(shù),來進行人的再生醫(yī)學(xué)的研究。




基因編輯究竟是一個什么樣的黑科技,它是不是這么深奧,要很高的科技才能夠運用,或者它是不是很簡單,我們在廚房里面也能做?

基因編輯是什么?


一是刪除,有一些基因不需要的,我們把它刪除掉;
二是修正,有一些基因是錯誤的,但我們刪除不了,就去修正它;
三是如何準確的把一個有用的基因插到一個穩(wěn)定、安全的基因組位點里。

這就是統(tǒng)稱為基因編輯的三大類。

讓人體移植器官立等可取

先說我的博士課題研究,當時我想構(gòu)造一個能夠模擬人乳腺癌的克隆豬模型,當時用的還是傳統(tǒng)的基因打靶技術(shù),花了兩年。把第一頭小豬做出來我還是很興奮的,一個人在豬場睡了3天,為了陪小豬。


2013年我們利用了第二代基因編輯技術(shù),也就是TALEN,花了一年就構(gòu)造出一個糖尿病豬。

這頭豬現(xiàn)在已經(jīng)配合藥企在進行一些藥物的檢測和研發(fā)。

現(xiàn)在我們團隊跟美國哈佛醫(yī)學(xué)院的George Church教授和楊璐菡博士一起合作開發(fā)未來可以用于人體器官移植的克隆豬。


這項工作我們現(xiàn)在當然還沒有達到臨床應(yīng)用的要求,因為它還需要解決幾個問題。

我們現(xiàn)在最起碼已經(jīng)接近把一個問題完全解決:如何把豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒給去除掉。

豬基因組中也攜帶內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄的病毒,它移植人體之后,可能會把這些病毒傳到人類身上去,我們可以通過基因編輯的方法,把這些內(nèi)源性病毒基因給去除掉,我們現(xiàn)在已經(jīng)獲得了比較成功的模型。

除此之外,我們還將繼續(xù)解決如何避免在豬的器官移到了人的身上之后,會引起的免疫排斥反應(yīng)。

第三個嘗試是,我們想構(gòu)建不會得疾病乃至癌癥的豬。

我們希望在未來能夠解決人體移植器官缺乏的問題,(讓它立等可?。?。

轉(zhuǎn)基因不能說有害也不能說無害
但基因編輯更安全

基因編輯的第二大類的應(yīng)用跟農(nóng)業(yè)相關(guān)。

可能大家都比較關(guān)心轉(zhuǎn)基因,對這個概念基本是談之色變,沒有科學(xué)家喜歡表達這個事情。

我給大家舉幾個育種改良的例子:


一.雜交育種。

大家都比較喜歡混血兒對不對,長得又帥又漂亮,從遺傳學(xué)的角度來講,也許相當于一半中國人的基因信息,加上一半美國人的遺傳信息合在了一起,這個概念跟雜交水稻是一樣的,都是兩個拷貝的信息,雜在一起就具有優(yōu)勢,就表達出比較優(yōu)勢的表型。

二.突變育種和太空育種。
利用太空射線,隨機地將基因位點突變,然后篩選其中的表型優(yōu)勢的種子,這跟傳統(tǒng)的照射是一樣的。

三.轉(zhuǎn)基因。
傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因概念就是,你可以隨便把另外一個基因,要么來自病毒的,細菌的或者另外一個物種的,通過載體,隨機地插入到另外一個物種的基因組里。這個插入是隨機的,所以我們現(xiàn)在既不能證明它是有害的,也不能證明它是無害的。

四.基因編輯。

這種技術(shù)可以做到無痕,無印記地修改自身基因。比如小麥有白粉病,我們可以用基因編輯技術(shù)刪除3個冗余基因,來根治小麥白粉病。



大家平時吃蘋果,蘋果切開了之后,放了一會,肯定會黃會銹。另外一個物種蘑菇,切了以后也會變黑,這都是因為它們多了一個不應(yīng)該多的ppo基因造成氧化,用基因編輯把它去掉,以后你切下來的蘋果,切下來的蘑菇,它就不會氧化,因為你不需要這個基因。

從遺傳的角度,這些物種可能進化慢了一些,還沒有把這基因給去除,(我們幫助它自身進化了)。

因為和轉(zhuǎn)基因?qū)胪鈦砘虻牟煌?,所以美國農(nóng)業(yè)部宣布,通過CRISPR編輯的抗氧化蘑菇,是直接獲得不帶有任何外源的遺傳信息基因的農(nóng)作物,它不需要像傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因食品一樣地經(jīng)過審批才能上市。

基因編輯可以治艾滋病、白血病
可以讓蚊子不孕不育以致消滅瘧疾

最后一個例子關(guān)于我們的健康。這是衛(wèi)計委的一個數(shù)據(jù),我國艾滋病病人的數(shù)量有50萬,我們現(xiàn)在還沒有完全治愈艾滋病的方法,那么用基因編輯的方法可以嗎?


有兩個途徑,一個在科研上已經(jīng)證明我們可以直接用基因編輯的方法,把艾滋病病毒給去除,另外一個是間接編輯免疫細胞,讓它變得能夠抵抗病毒。


基因編輯還可以治療急性淋巴白血病,這是比較成功的應(yīng)用在臨床上的一個例子。

這個小女孩一出生,半歲就得了白血病,當時在沒有任何治療方法情況下,利用基因編輯,把免疫細胞進行修復(fù),這樣免疫細胞,它一是可以殺癌癥細胞,第二這些基因編輯過的免疫細胞不會被化療藥物所殺死,第三它不會被小孩體內(nèi)的免疫系統(tǒng)給排斥掉。



最后跟大家聊聊比較熟悉的蚊子。

我們屠呦呦院士因為抗瘧疾的青蒿素拿了諾貝爾獎,現(xiàn)在我們還可以通過制造不會攜帶瘧疾、傳播瘧疾的蚊子來消滅瘧疾。



現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)培養(yǎng)出有不孕不育型的蚊子,它們攜帶可遺傳抑制瘧疾的“基因”。

這些蚊子所繁殖的后代都是不孕不育的,希望通過這個方法以后就沒蚊子了。但是大家可能會擔心,這個不孕會不會傳播到我們?nèi)祟愡@邊來?


我的思考是:任何的技術(shù)都是一把雙刃劍,主要是我們怎么去掌握它,怎么去應(yīng)用它,怎么去調(diào)控它,把它用在對我們好的一面,避免它用在對我們不好的一面。

農(nóng)業(yè)和醫(yī)療,我們也需要一個比較好備案和記錄的體系,嚴謹?shù)臋z測和驗證。

基因編輯的原理是什么?

在座的各位,我們之間差別很大,我們這個物種和豬,從樣子上也是差別很大,但在基因上我們很接近,因為構(gòu)成我們每個人遺傳信息的最基本的單元,可以用四個字母來代替,就是A,T,C,G,它們構(gòu)成了我們所有的遺傳信息。


而一個小小的堿基字符的錯誤,則有可能會導(dǎo)致疾病的發(fā)生,例如乳腺癌就可能是由于人體一個基因突變導(dǎo)致的。

我們身體里面,大概有數(shù)萬億個細胞,每個細胞都帶著一整套完整的基因組信息,把這些信息都提取出來,裝在一個一個小小的U盤里面,它的數(shù)量是可以裝滿一艘泰坦尼克號。



這是我們基因組的DNA,它就像一根繩子,假如你想對這個繩子進行一些修飾,得先把DNA雙鏈打斷,打斷了之后,為了能夠完整修復(fù),細胞里面有兩個機制,其中一個機制叫非同源末端連接,相當于把兩個繩子粘起來一樣。但這樣粘起來是不完美的,它可能會有一個傷疤,基因組信息里面就有一些小小的缺失,會有一些比較小的插入,這是細胞修復(fù)比較常用的機制。這個方法可以把一些不需要的基因給抑制掉,或者沉默掉。


細胞DNA損傷修復(fù)還有另外一個機制,就是可以給它提供一個模板,這樣可以很完美地把損傷DNA給修復(fù)過來,這就像我們無創(chuàng)修復(fù),或者是美容,完全修復(fù)回原來那樣,再添加一個比較有用的信息。


細胞里的修復(fù)機制,是我們每個人帶有的,其他的動物植物細菌、真菌都都帶有這個機制,所以基因編輯終極目標,就是如何找到能夠準確地把DNA雙鏈打斷的工具或者方法。

第三代基因編輯技術(shù)高中生都能操作

基因編輯是一個發(fā)展了很多年的技術(shù),但之前發(fā)展是比較緩慢的。



第一代基因編輯技術(shù)ZFN,相當于我們的最原始的第一代計算機,它是可以計算,但是用起來特別麻煩,很難制作而且不穩(wěn)定;第二代技術(shù)TALEN,它的原理也是一樣的,但是用起來也相對比較麻煩,而且制作比較難;這兩項技術(shù)它們的原理是基于蛋白結(jié)合到DNA上面去,然后再借助一把像剪刀似的東西,就是一個DNA內(nèi)切酶,把DNA雙鏈給打斷,重新基因編輯。

第三代CRISPR-Cas9這個神器,是比較黑科技的發(fā)明。

我們都知道,每年我們都會流感,細菌跟我們一樣,它也會面臨著他們的天敵:無數(shù)的病毒,就像一個個無數(shù)的定時炸彈。它們怎么樣快速的去解除這些定時炸彈?

細菌的體內(nèi)有一種類似錄音機和拆彈專家的免疫機制,叫做CRISPR及CRISPR相關(guān)蛋白(cas),這個圖里面可看到,一個噬菌體侵染細胞的時候,它會把它的DNA注射到細菌里面去,那么細菌里面有一個CRISPR位點,相當于一個錄音機它能夠記錄來自于病毒的重要的基因組信息,并把它們錄下來。



這個錄下來其實就是把他們的DNA整合到細菌的CRISPR位點里面去,第二步它會進行一個播放,接下來我們音樂開始播放了,這個播放其實就相當于他們把這些信息給表達出來。

表達完了之后,細菌的體內(nèi)有一個比較聰明的拆彈專家,就是Cas蛋白,這Cas蛋白接到指令,就開始尋找在細胞體,任何只要攜帶著跟這個音樂樂調(diào)相符合的信息,對它進行破壞,然后實現(xiàn)清除,也就是為什么細菌可以抵抗病毒。

作為拆彈專家的Cas蛋白,不同的細菌有不同蛋白表現(xiàn),但他們往往需要幾種蛋白協(xié)作才能完成清除。但有些細菌比較聰明,比如化膿性鏈球菌,這是我們經(jīng)常會面臨的一個細菌之一,它會導(dǎo)致化膿發(fā)燒,這個細菌比較聰明,它的身體里面Cas9蛋白,也就是作為拆彈專家,只需要一個人就可以完成,就相當于一個超人一樣,它具有所有的能力,一個人就可以執(zhí)行所有的任務(wù)。



誰發(fā)明了第三代基因編輯神器?

是兩位女科學(xué)家。

這兩位女專家在一個研討會上碰在一起,一個是專門搞遺傳研究的,一個是專門搞化膿性鏈球菌的,她們決定把這套系統(tǒng)給合成出來,并證明只需要一個蛋白(Cas9)和一個GPS(也就是gRNA),就能變成萬能的拆彈專家,精確地對基因進行編輯。


這個拆彈專家如何尋找炸彈所在的位置?

需要一個GPS,也就是gRNA,它會尋找基因組中所有序列,只要跟它的序列互補的情況下,它就會把Cas9蛋白帶到基因組特定位點,把DNA切斷。

這個蛋白,它可以應(yīng)用于我們?nèi)祟?,也可以用于植物,?yīng)用于所有的生物,基本到現(xiàn)在已經(jīng)證明它是可以應(yīng)用于所有的物種,那么你所需要改變的一件事情,就是把GPS上面的信號調(diào)一下。

正是因為這么簡單,所以這項工作對科研帶來爆發(fā)性的促進,這是2012年CRISPR解碼之前和之后,與之相關(guān)的科研文章。從寥寥無幾到幾千篇。



基因編輯技術(shù)拿諾貝爾獎只是時間問題

無數(shù)科學(xué)家用了幾百年,通過不同的知識積累,才慢慢地掌握了這四項被稱為讀寫生命信息的IT技術(shù)。我們所謂的測序就是讀,單單這一項技術(shù),就花了十幾年30億美金才把它學(xué)會。

除此之外我們還學(xué)會了復(fù)制,就是PRC的技術(shù);第三個是復(fù)寫,也即克隆和IPS技術(shù),這是一項獲得了諾貝爾獎的技術(shù),就是如何把整個生命給重新編程復(fù)制,這才有多利羊的出生;第四項也就是今天分享的信息,基因編輯。


這項技術(shù)毫無疑問是能夠獲得諾貝爾獎的技術(shù),該給誰,什么時候,這只是一個時間的問題。


基因編輯是一個非常好的技術(shù),我相信它的應(yīng)用還沒到終點。

謝謝!


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