George Church:分子技術專家,DNA研究領域的領軍人物,哈佛大學遺傳學教授,哈佛醫學院基因組研究中心主任。他于1985年參與到人類基因組計劃,也是這個計劃的負責人。他發明的新方法開創了個人基因組研究的時代。基于他發明的直接基因組測序的方法,自動測序軟件被成功開發,并在1994年第一次用于商業基因組排序。他與Chris Somerville成立了LS9有限公司,集中在對生物燃料和可再生石油技術的研發。
隨著 CRISPR 和下一代測序技術等分子生物學技術的發展,人類對生物基因有了非常精確的編輯修改能力,這樣的能力將給我們帶來什么?是人類的異化還是進化?這值得我們擔憂嗎?以下是 George Church 關于 CRISPR、基因技術、生物倫理、ZL保護、生態壞境以及自己的研究歷程等的介紹和看法。
自 1987 年以來 CRISPR 只是一種唯象理論,直到 2012-2013 年才變成一種技術。這是一種細菌保護自己免受病毒侵害的機制——通過制造能夠識別這些病毒和切斷它們 DNA 的分子機器,從而殺死這些病毒或至少使它們失去功能。將其從殺戮機器轉變成編輯機器看起來似乎是可行的,但這一轉變直到2013年之前并沒有發生,或至少還未被公布 。分子機器,就像許多酶和催化劑一樣,是一種蛋白質組分,另外還有一個核酸組分——類似DNA的RNA。然后,這兩種組分會沿著你的基因組或多或少隨機跳動地掃描。有時候它會在錯誤位置一次又一次重復審查,但最終它們會找到正確的位置。之后,它會重新排布雙鏈 DNA 以插入 RNA——制造出三鏈結構,然后蛋白質組分會將兩者都切斷。你得到是一段破碎的 DNA 片段,這看起來好像還是殺戮,并沒有編輯,但這種切斷讓你可以引入另一種分子,也就是供體 DNA,它具有你想要替換的那種新序列。這可以造成片段缺失、插入,或者只是使用同樣數量的 G、A、T 和 C 堿基對簡單地改變序列。這種編輯只是改變了組分或順序。
這就像是你在編輯一本書或一篇文章:要精確。你不想只是將 G 改變成隨機的其它東西;你想將其變成一個 A。這正好是我們展示的技術。2013 年 1 月,我們首先將這一技術從細菌應用到人體中——這是一步飛躍。然后其它許多實驗室,包括我們自己,將其應用到了許多其它的生物體中。
體外受精也曾引起過人們的抗議和指責。人們貶斥其為「試管嬰兒」——一些圍繞試管嬰兒的恐慌言論說得那好像是極其令人討厭且不可接受的。但隨著 1978 年第一位真正的美麗健康的試管嬰兒 Elizabeth Brown 的誕生,突然間好像它是百分之百成功了一樣,幾年之間就出現了數百萬試管嬰兒。從 1978 年到現在,已經有超過 500 萬試管嬰兒了,人們的反對聲也已經消弭。
也許重組 DNA 加上試管嬰兒將成為一個大事件,但那看起來還很遙遠,也許還需要幾個世紀。有時候技術會有延遲,例如飛行背包還未出現,還有飛行汽車也未出現。而有時候,它來的會比我們預想的還快。你畫一畫下一代測序技術的趨勢線,如果它與計算機相當快的發展類似,它應該在一個世紀之內實現。然而,它只用了不到十年的時間。CRISPR 作為一種基因組工程技術也是一樣——不知從何處冒出來。2013 年初還沒有 CRISPR 技術,而三年之后它就無處不在了。我們可以做基因組工程,也是相當合理的。
這些技術的實現先于預期這么多,是因為工程師的癡迷追求以及機緣巧合,再加上下一代測序技術。我的研究組參與了幾乎每一種不同的下一代測序方法:從納米孔測序(nanopore sequencing)到熒光測序(fluorescent sequencing)再到 Ion Torrent 這樣的電子測序(electronic sequencing)。類似地,我們也通過內源性同源重組(endogenous homologous recombination)涉足了每一種從重組 DNA 開始的基因組工程方法;內源性同源重組也就是所謂的歸巢核酸內切酶(meganuclease)技術,這是我的導師 Bernard Dujon 讀研究生時發現的;這不僅是第一種切割 DNA 的方法(CRISPR 是最近期的),這也是他在 1980 年代早期發現的第一種基因驅動。
Bernard Dujon 是我讀博士期間的聯合導師之一。他發現了歸巢核酸內切酶——第一種非常確切的酶切方式,可以在基因組中切割一次。那以后,我們與 Aaron Klug 參與到了鋅指(zinc finger)方式的研究中。Klug 創立了一家名為 Gendaq 的小公司,后來并入到了Sangamo 公司。接下來發現的 TAL(轉錄激活子樣:transcription activator-like)蛋白甚至比歸巢核酸內切酶或鋅指更容易編程。這些我們都參與到了,另外還包括我一位很有才華的博士后 Feng Zhang,他和我合作研究 了TALEN(轉錄激活子樣效應因子核酸酶:Transcription Activator Like Effectors Nucleases),之后他在麻省理工學院創立了自己的實驗室。后來,我們都開始研究這種被稱為 CRISPR 的新現象。自 1987 年以來,它一直不斷在文獻中出現,但直到最近它才開始被一些團體理解,主要是像 Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 這樣的生物化學家。作為一種新技術,你將如何利用它呢?
在 Jennifer 和 Emmanuelle、Feng 以及我自己的實驗室之前,已經有很多人確定抵御病毒和細菌是很重要的;但將其變成一種基因編輯技術卻并不明顯,而且事實上很有可能會失敗。比如,我們曾一直在嘗試適用另一種被稱為 MAGE 的基因組工程策略,另外有一些人稱之為重組工程(recombineering);但經過幾十年的研究后,它也只能在大腸桿菌中起效。而相對地,CRISPR 則被偶然發現可以在沒有重大修改的情況下在每一種生物體中發揮作用,它只是調整組分分子的產生方式。
2013 年 1 月,Feng Zhang 和我的另一位研究生 Le Cong 聯合發表了一篇論文(Le 是第一作者),同時還有我和 Prashant Mali(第一作者)、Luhan Yang 聯合做的研究。Mali 現在在加州大學圣地亞哥分校工作,而 Yang 在應用 CRISPR 獲取豬的器官進行異種器官移植的研究中起重要作用。我們通過Addgene(全球科學家質粒共享非盈利組織,它負責保存和提供質粒。) 來部署使用這種分子工具,這能讓其獲得更快的傳播。人們意識到只需 50 美元就能參與到這一游戲以及所有我幫助開發過的技術中,這是最容易讓人接納的方法。
現在已有 2000 種基因療法,取一點加工過的 DNA,放置到病毒外殼中將所有病毒基因清除,然后就可以將人類基因放入病毒外殼中。你也可以使用非病毒傳遞(nonviral delivery);重要的是,你不僅可以直接在人體中實現這些傳遞,還能將 DNA 植入取出的人類細胞中,然后再將其放回去。這樣的技術具有非常強大的功能,比如治療遺傳性疾病和治療傳染病。
例如,你可以編輯修改 HIV 病毒的受體從而治愈艾滋病患者,這是一種不依賴疫苗和產生多重耐藥性的方式,耐藥性問題從一開始就困擾著 HIV 艾滋病的治療。從某種意義上來說,這是一種人體的增強——和大多數人類不同,他們可以抵抗人類的大瘟疫HIV艾滋病毒。
現在已經有一些人進行了基因修改,可以抵抗艾滋病。因為他們有經過修改的 T 細胞,或更大范圍的經過修改的血細胞。還有一些通過基因療法治愈的失明兒童。這些都并未使用 CRISPR,但它們的目標是一樣的。CRISPR 正在快速地超越這些基因修改,而且 CRISPR 正逐漸成為所有通過 DNA 傳遞和遺傳組件傳遞治療病人的工作方式背后的推動力。
孤兒藥法案(Orphan Drug Act)是一允許醫藥業收取合適金額補償藥物開發成本和利潤及報銷成本的法案,以此鼓勵該行業為罕見疾病開發藥物。孤兒藥有很多。事實上到現在,即使這些疾病很罕見——其中一些疾病的發病率為千分之一、萬分之一、十萬分之一——它們還是能帶來盈利,這占到了整個醫藥行業的大約 30%。