《自然》杂志曾以三篇长文报道CRISPR基因编辑技术,足见其受重视程度。尽管2015年未获诺贝尔奖,但2016年仍是热门候选。如今,CRISPR已超越单纯的技术范畴,深刻影响政策制定和伦理学领域,并为整个生物医学界提供了一种简单、经济且革命性的工具。民间生物学研究也开始利用这一技术,预计一些DIY的CRISPR爱好者不久将在学术期刊和会议上报告成果,使生物学研究从过去的小众走向大众科学娱乐。这些颠覆性变化,皆因CRISPR技术的出现。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)分子生物学家Timothy Doran教授11岁的女儿对鸡蛋过敏。全球约2%的儿童对鸡蛋过敏,这些患者无法接种用鸡蛋培养的疫苗。作为生物学教授,Doran设想使用强大的基因编辑工具CRISPR–Cas9解决这一问题。大多数鸡蛋过敏原是蛋白中的四种蛋白质。Doran的同事曾用细菌编码其中一个突变蛋白,该蛋白不再与鸡蛋过敏患者血清反应,表明修改这些蛋白质结构后,过敏患者或可安全食用鸡蛋并接种鸡胚疫苗。整体思路是用CRISPR修改鸡的这四种蛋白基因,培育出产无过敏原鸡蛋的鸡。Doran小组希望在2016年拿出第一代基因修改鸡,证明概念可行性。尽管需监管部门授权,但他希望女儿能从中受益。
过去,受劳动力和效率限制,科学家只对少数精心选择的物种进行基因改造。CRISPR技术彻底改变了这一局限,因其高效且简单易行。鸡只是CRISPR动物园中的一员。过去两年内,基因修改的猴、猛犸象、蚊子、宠物猪等动物纷纷成为科学新闻头条,科学家利用该技术用于农业、药物生产和复活灭绝生物等。这不仅是技术革命,更是科学范式的转换。英国爱丁堡罗斯林研究所动物生物技术专家Bruce Whitelaw表示,许多想法过去根本不敢去想,整个生物医学界已将目光转向基因编辑领域。
考虑到这些新物种可能影响生态系统,各国监管机构尚未找到理想的应对办法,尤其是对哪些能作为食物或放生野外的物种。美国智库主任对此表示担忧,称这种简单经济高效的基因编辑技术可能带来不确定风险,难以避免某些人制造有害物种。华盛顿生物技术监管政策专家Eleonore Pauwels指出,CRISPR动物的问题促使科学家和政策制定者公开对话,她希望这种讨论能帮助确定哪些CRISPR应用对人类、其他物种和科学有益,并提出必须限制技术滥用。
在农业领域,CRISPR最易考虑的应用是提高抗病性。科学家通过修改动物基因,提高抗病能力,减少药物使用。旧金山生物技术企业主Brian Gillis希望用基因修改技术改造蜜蜂,避免因患病和寄生虫感染造成的蜜蜂大量死亡。Gillis正在研究“卫生蜂”的基因组,这种蜜蜂痴迷于清洁蜂巢并清除生病和被感染的幼虫。有这些蜜蜂的蜂巢不易受螨、真菌等病原体威胁。若能确定产生这些行为的基因,便可将其转入其他蜜蜂种群,提高抗病能力。然而,Boxmeer蜜蜂研究组织主席Bart Jan Fernhou认为这种策略很难实现,因为未发现特定行为基因,且根源复杂。即使存在这种基因,传统育种技术也能实现目标,无需采用高风险的转基因策略。
尽管存在担忧,但似乎未影响转基因抗病性研究的速度。罗斯林怀特劳研究所等小组利用CRISPR技术给猪转入抗病毒基因,预计将给养猪业带来丰厚利润。怀特劳研究所也在用其他基因编辑技术修改免疫相关基因,提高家猪抵抗非洲猪瘟的能力。哥伦比亚密苏里大学Randall Prather对猪的一种细胞表面蛋白进行突变,使猪不易感染一种严重的致死呼吸道病毒。也有科学家利用类似策略改造牛,提高抗锥虫感染预防昏睡病的能力。怀特劳研究所希望监管机构和消费者对这些转基因动物持更乐观态度。一些政府也在考虑是否有必要用管理转基因技术的方法对待CRISPR技术,后者并未转入其他基因,只是对物种自身基因进行改造。
Doran的计划是对引起过敏的蛋白质进行改造,必须尽量控制限度,避免影响鸡的胚胎发育。这正是CRISPR技术的特点——精准编辑目标基因序列。CSIRO分子生物学家Mark Tizard称,CRISPR已成为精准破坏过敏原的救世主。将CRISPR用于哺乳动物的一般程序是:用药物诱导产生卵子,取出卵子编辑,受精后移植到子宫。但将CRISPR用于鸟类仍存在问题:受精卵与蛋黄结合紧密,取出会破坏胚胎;未受精的鸡卵子难以取出,CRISPR不能直接注射。一旦鸡蛋产出,发育已开始,精确基因编辑十分困难。Tizard和Doran准备从原始生殖细胞(PGCs)着手,这种细胞能变成精子或卵子。鸡的PGCs可在发育过程中进入血液循环,为科学家提供了采集鸡PGCs的简单途径:在实验室内对这些细胞进行基因编辑,然后让它们发育成熟。CSIRO小组已建立一种将CRISPR元件直接注射到血液中编辑PGCs的技术。
科学家也计划用CRISPR技术对鸡的全基因组进行改造,这种鸡被称为“CRISPi鸡”,可用于大量制造目的蛋白药物。监管机构已认可这种药物制造方法:2006年欧盟授权用羊奶制造抗凝血蛋白,2009年获美国FDA授权;2015年欧盟和美国FDA授权用转基因鸡蛋制造的抗胆固醇药物上市。
这个计划听起来疯狂,但将大象变得更接近猛犸象的努力一直在进行。去年芝加哥大学遗传学家Vincent Lynch研究发现,猛犸象细胞存在负责耐低温和生长毛发的基因版本。有类似基因版本的小鼠也能提高耐低温能力。Church表示,他已对大象胚胎内14个类似基因进行了编辑。但编辑、生育和饲养耐低温类猛犸象并非易事,将这种胚胎移植给濒危大象不符合伦理学原则。他们实验室正计划制作人工子宫,进行全程人工培育。
也有一些相对容易的复活灭绝物种技术。加州大学圣克鲁斯分校Ben Novak希望复活一种候鸽,这种在19世纪末随处可见的鸽子因人类过度捕猎而灭绝。他的小组正用博物馆标本鸽子DNA与现存鸽子进行序列比对,计划使用类似Doran小组的PGC细胞方法,对其他鸽子进行基因改造,使其更接近灭绝的候鸽。Novak表示,现有技术还无法对鸽子进行数百个基因的同时修改,但CRISPR给了他们最理想的选择,希望能实现复活灭绝鸽子的梦想。
此外,用CRISPR进行生育控制以灭绝蚊子、提高鱼类生长速度和抗低温能力、基因改造宠物动物进行迷你化、利用该技术制造各种疾病模型等应用,均有学者在研究。总之,利用CRISPR技术改造基因的动植物数量越来越多,速度越来越快。