强大的基因编辑工具CRISPR/Cas9 竟是细菌防御天敌的武器

2019-04-30 16:36:29来源：科学大家

基因治疗与脑疾病有什么关系呢?首先我们需要了解基因是什么?基因就在我们的细胞里面，细胞里有30亿个碱基对组成我们所有的基因，基因编码我们的皮肤、肌肉、心脏、大脑等人体的一切组织和器官。每个人的基因都是父亲给一半，母亲给一半，很多病是因为基因突变引起的，我们称为遗传病。有些病跟父母的基因有关，有些是父母身上没有这个基因，是孩子身上自发突变的，都被叫做遗传病。总之，它是基因突变导致的一种疾病。

这种遗传疾病的治疗通常很麻烦，因为基因在我们每个人的身体里面，从生下来那一刻就没有变过，我们怎么改变他们?如果基因坏了，我们怎么修复他们?这就是我们想研究的课题。

现在我们有办法一步一步修复让我们得病的基因。最新的基因修复工具，叫CRISPR/Cas9。

强大的基因编辑工具CRISPR/Cas9 竟是细菌防御天敌的武器

基因编辑工具最早是生物学家在实验室里研究的一种用来修改DNA的方法。它们是某个聪明人设计出来的吗?完全不是。这个工具的寿命长达数亿年甚至几十亿年，存在于细菌体内，是细菌反抗天敌的工具。细菌的天敌叫做噬菌体，细菌就是一个细胞，噬菌体会抓到细胞上，把细胞吃掉，但是细菌不会坐以待毙，怎么办呢?它们演化出来一套很复杂的系统。

CRISPR/Cas9——目前最强大的基因编辑工具，原来是细菌防御天敌噬菌体的武器

当噬菌体感染细菌的时候，把自己的DNA注射到细菌里面，噬菌体用基因消灭宿主并完成自身基因的复制。在这种情况下，细菌进化出了一套非常强大的工具。细菌会把这个噬菌体DNA记下来，然后把噬菌体的DNA拷贝到自己的基因组里面，根据基因组的序列，设定出一套跟它匹配的RNA，根据RNA做一套酶去剪切噬菌体的基因。

相当于，当噬菌体第一次来的时候，细菌先被动防御一下，但细菌会记住噬菌体的样子，噬菌体再来的时候，就像现在人脸识别非常准确，细菌会把之前专门存的信息读取出来，然后生出一套很大的DNA剪切酶，把入侵的噬菌体的DNA破坏掉了。

说起来匪夷所思，我们都想不到。

被人类驯化的基因武器 CRISPR/Cas9

直到2012年科学家才发现这套工具，之后这套工具就被科学家驯化了，细菌可以设计识别出噬菌体序列，那么人类基因组任何一个地方都可以当作假想的噬菌体。科学家把这套系统设计了一下，变成了可以识别生物体内任意序列的工具。

这套系统首先被Doudna 和Charpentier这两位科学家发现，他们获得了由谷歌赞助几百万美元的突破奖。2013年1月份，科学家George Church和华裔科学家张峰第一次在哺乳动物细胞里面实现了定点基因的编辑。这套工具(CRISPR/Cas)是有史以来最精确的基因编辑工具。

基因组编辑纪元从2012年开始

面对基因疾病，这套工具显能手!

编辑基因能干什么呢?我们做科学实验，从研究基因的功能，到做一个基因修饰的动物，到动物模型，都需要基因编辑工具，所以现在已经成为全世界做基因(研究)的科学家实验室的必备工具。但是更重要的是，这个工具有可能被用来修复基因突变，有可能用来治疗遗传病。

举个例子，上图这个病的名字叫DMD，中文名字叫杜氏肌营养不良疾病，是一种致死性遗传病，它就是基因突变导致的，这个病只在男孩儿中发生，因为基因突变发生在X染色体上，女孩携带突变的基因但不会发病。

这个病的进程非常残酷，小朋友两三岁的时候没事，慢慢的肌肉里面的筋就会逐渐积累有毒的蛋白质，到后来会失去所有的行动能力。不只是四肢的肌肉会萎缩，负责呼吸的肌肉和负责心跳的肌肉也会慢慢萎缩。突变的基因影响了全身所有肌肉的正常功能，最后小朋友在十几岁只能瘫在轮椅上，可以想像患者基本活不过二十岁，就会因为呼吸衰竭死去。

科学家研究这个疾病几十年，找到了原因，就是因为一个基因突变，导致肌肉里的蛋白质失去了功能。

下图是2015年几位美国科学家对小老鼠做的实验，他们给小老鼠携带上同样的基因突变，叫DMD小鼠模型，小鼠会瘫痪，也是致死的。他们用最新的基因编辑的方法，给小老鼠患病的基因做了编辑。比如说，本来在这里有一个基因突变，基因序列变成了终止密码，就读不下去了，蛋白表达终止，现在用基因编辑的剪刀把这块有毒的基因，叫外显子，把它切掉，缺了一块但仍然可以读下去，这个基因尽管是不完整的，但是仍然获得了一部分的功能。

小鼠经过治疗，活了下来。这个实验第一次让我们看到了CRISPR/Cas用作基因治疗的工具有可能在小老鼠身上成功。

通过基因编辑治疗DMD小鼠实验第一次展示了基因治疗有可能在小老鼠身上成功

但是怎么对人用?小老鼠毕竟不是人，怎么把这个工具安全有效地转到人身体里面?这是非常难的课题。科学家努力了十几年，最近刚刚有了突破。

科学家用的就是这样一种病毒作为载体来帮忙，这个病毒还是大自然母亲的杰作。这个病毒叫AAV：腺相关病毒，是一种不会使人得病的病毒。这个病毒里面自己的基因都被科学家删掉了，只留下我们想留下的治病的基因，或者是基因编辑的工具等。所以现在可以用改装过的病毒载体开展基因治疗。

腺相关病毒作为基因载体还有另外一种可能性，就是“干细胞”治疗，也是科学家一直在测试的。2015年发表了这样一篇研究文章：下图这个小朋友大概14岁，把他身上携带突变的细胞取出来，在体外做基因编辑的修复，然后把肌肉细胞变成多能干细胞，之后再分化成正常的肌肉细胞。那么是不是可以把他修复好的肌肉细胞打到身体里面去?帮他行使正常的肌肉功能，这也是非常有前景的领域。

Gavriel Rosenfeld

但是这个工作还在进展当中，小朋友2015年已经14岁，今年已经18岁，已经成年了。他每一天的病情都在不断恶化，所以能不能有办法马上让他的病情得到扭转?我们现在可以用AAV基因载体的工具，先装载一个小版本的基因治疗他。

十年前还没有基因编辑，科学家想出另外一个方法，直接给病人一个迷你版本的DMD正常基因。这两位学院派的教授，是美国北卡罗来纳大学教堂山分校专门研究病毒的教授，一位叫Samulski，另一位肖啸教授是他的第一位博士生。师生两人原来只是研究怎么找到病毒的载体、研究病毒的生物学。后来他们发现病毒可以作为载体来治病，于是他们就用病毒做载体的方法，来看能不能治疗DMD。

他们2014年共同成立了Bamboo Therapeutics基因治疗公司，就用AAV作为载体来治疗DMD。2014年的时候,他们证明AAV病毒是能够安全有效给人用的，不会让人得病。但是怎么来把DMD基因运送进人体还有一个问题，它是人类最大的基因。这么大一个基因，病毒载体是有限的，它装不进去。怎么办呢，他们把DMD基因做成缩小版本，为了知道管不管用，他们摸索了十几年的时间，在小鼠身上，甚至在一个天生有DMD疾病的狗身上进行试验，把狗的DMD治好了。最值得振奋人心的是，经过十年的安全有效性的实验，他们终于有机会在人身上尝试。

基因治疗大幅改善DMD患者身体状况

基因治疗的效果-杜氏肌营养不良症

在Facebook上可以找到，这是一个美国的参与了他们临床实验的小朋友。

左边第一个是治疗前，这个小朋友当时大概五六岁，他上台阶的时候非常困难，因为他浑身的肌肉已经开始病变。

第二个是他治疗1.5个月以后，荷载了正常的名义版本的DMD基因的AAV，被注射到他全身的肌肉，帮助他恢复功能。治疗1.5个月以后，是不是好多了?我们都觉得很奇怪，到人身上能这么快起效吗?因为他是给了一个基因，从DNA变成RNA变成蛋白质，还要填到肌肉组织里去。

图三是他三个月的时候，在美国的一个棒球场。他爸爸带他看棒球，他浑身是汗，因为他爬了很多台阶了，可以看到他很流利的爬台阶。

图四是四个月的时候，他居然可以下水游泳了，他可以协动全身的肌肉在水里游泳。最后可以看到，在六个月的时候他在丛林里奔跑，面对如此复杂的环境，他像正常小朋友一样在奔跑。

这是用了Samulski和肖啸教授的AAV-miniDMD方法进行的第一例成功的基因治疗。Bamboo公司在2016年被美国最大的制药公司以6.45亿美元收购，然后开展更大规模的临床实验。

这是第一个成功的例子，后来还有一个更令人振奋的例子。DMD是全身的肌肉疾病，肌肉治疗相对容易一些，真正难的是大脑疾病。

面对更难治疗的大脑疾病，科学家该怎么办?

大脑疾病是神经出了问题，全身的神经，从大脑到每一个内脏器官和肢体都有。神经大脑疾病能不能用基因治疗的方法治疗?这两年出了非常好的消息。有一种神经系统疾病叫做脊髓性肌肉萎缩(SMA)，它是因为神经细胞的基因突变，导致神经末梢慢慢萎缩，所以就像浑身瘫痪一样。

这个药物已经研发成功，而且已经上市，这种疾病也是用基因的方法治疗。SMA的发病率是一万分之一，算是罕见病，但是在中国，得病人群很多。这个疾病没有任何有效的治疗方法，因为是基因得了病。现在有这样的方法，可以将得病基因修复，把这个病治好。

第一个有效的方法是Biogen研究出来的，Biogen是美国最大的生物技术公司。下面这个图，人的全身都是神经，这都是神经末梢。怎么治呢?他们知道是什么基因坏掉了，他们用一个反义核苷酸的方法把坏掉的基因沉默掉，就是把坏掉的基因关掉，没有改变这个基因。

但是令人振奋的是这种方法很有效，可以治好这个绝症。2016年这个疗法获得了FDA批准。这个药物需要打到脊髓里面，顺着人的脑脊液到神经系统来工作。FDA批准意味着它在安全性和有效性上都得到了权威认证。这是一个非常有效的沉默基因的方法，并没有修复基因。

SMA基因疗法药物开发的两家公司

另外一个小公司叫Avexis，它利用AAV的方法，像DMD一样，把正常的基因运送到全身各处。这个方法很难，因为神经系统不像肌肉，可以进行肌肉注射，大脑治疗也很难，需要AAV像定向导弹一样往大脑里走。他们得到初步的临床实验结果，发现效果非常好，持续非常久。

2018年业内一个大消息，制药业巨头诺华花了87亿美金收购了这家公司。大的制药公司觉得一个新的药物出现了，基因治疗的药物确实是有可能的。

跟大家说了这些病，我们课题组的努力在眼科疾病。其实美国和欧洲的研究比我们领先，我们是有点落后的,毕竟刚开始。

最新的一个基因治疗的眼科药物(AAV方法)在美国上市了。因为视网膜慢慢的突变，会发生眼科疾病。三年前我们与中国科技大学的薛天教授合作，想开发一个新的基因编辑修复突变的方法，能不能用基因编辑的方法真正的修复基因。这个基因编辑很多人用，但是还没有人做到把体内细胞的突变修复。

我们想做原始创新，要做一个别人没做到的方法。下面这幅图右边是我自己回国后的第一位博士生程田林博士，已经毕业三四年了。他想设计一些基于基因编辑的突变修复方法，他设计出的这个方法比较复杂，这个文章很快就要发表了。我们的想法是能不能装一个定向导弹把它定点修复呢?我们就用这个方法，在薛天老师的实验里，打到失明小鼠的视网膜里面去。这是一个携带视网膜基因突变的模型小鼠(见下图)，基因突变以后蛋白质就消失了，视网膜就失明了。用原位的精确修复的方法，可以看到A变成C，原来中止的蛋白质的就读通了。这个方法就把蛋白质基因突变修复了一下，把蛋白质救回来。救回来之后小鼠能够恢复光明吗?这是我们不知道的。

怎样完美的修复基因突变？

怎样完美的修复基因突变?

我们给视网膜做了一个反射试验，正常的视网膜照一下强光，瞳孔会收缩，失明的就不会收缩。我们修复过以后，瞳孔开始产生了光反应的状况，说明基因修复好以后，蛋白质开始工作，让眼睛开始慢慢感光了，也发现视网膜定位的功能也慢慢修复了。经历两年多的时间，小老鼠恢复了光明。我们修复失明的过程虽然不是很完美，但是让它慢慢恢复了光明，这是第一步，走出了从0到1的第一步。

基因治疗的明天

上图是我们现在所有的进展，非常令人振奋。我刚才说的这些病，听上去都是绝症，但很多基因药物都已经上市了。血友病在进行第二期临床试验，地中海贫血在临床实验，帕金森也在第二期临床试验。我们看到最近三到五年之内，有大批的基因治疗的药物即将上市，我们也希望有更多基因治疗的药物在中国有更多的临床实验，惠及到中国的病人。

注：文章整理于仇子龙老师在墨子沙龙上的演讲，有删减。

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