基因编辑技术改写“生命天书”

科学24小时Science in24hours2018年第3期

Rui Jujiao ·聚焦

锐

20世纪90年代，一种名为锌指核酸酶（ZFN）的技术诞生了。锌指核酸酶包括锌指蛋白和核酸内切酶两个组成部分，前者负责识别基因组DNA中特异序列，相当于word软件中的“查找”工具，可以定位到某个特定词语，后者则负责将DNA切断，利用细胞自身DNA损伤修复功能，实现对目的基因的修饰，相当于word软件中的“剪切”工具，能轻松剪切掉这个特定词语。由于ZFN技术能像Word软件编辑文字一样对目的基因进行修改，较之前的同源重组技术大幅提高了

基因敲除的效率，从而被称为“第一

代基因编辑技术”。随后十多年里，

它一直都在生物学界独领风骚。

不过，ZFN技术并不能对基因组

中任何位点进行修改，脱靶效应较

高，也就是说存在较多的非特异编

辑，不仅构建成本高，而且费时费

力。到2009年，科学家们又开发出

另一种与其类似的基因编辑技术体

系，即类转录激活样效应因子核酸酶

（TALEN）技术，这是第二代基因编辑

技术。该技术只是将识别DNA序列

的元件改为TALE蛋白，虽然TALEN

构建起来确实比ZFN容易得多，不过

同样也存在较高的脱靶效应。

2012年，美国加州大学伯克利

分校的科学家开发出一种全新的基

因编辑技术，即2015年被美国《科

学》杂志评为十大年度科学突破之首

的CRISPR/Cas9技术，这就是第三代

基因编辑技术。不同的是，前两种基

因编辑技术的“查找”工具是酶类，设

计和制作成本较高，而CRISPR/Cas9

技术是用一种成簇的、规律间隔的短

回文重复序列的RNA来寻找靶向序

列。由于设计和制作RNA比蛋白质

基因编辑技术示意图

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简单，不仅构建成本得到大幅降低，而且可以精确到单个碱基，脱靶效应也得到了极大的改善。这项技术迅速走红起来，基因编辑技术也像“风暴”一样席卷整个生命科学领域。在短短两三年时间内，几乎所有常见的微生物、植物和动物，甚至是人类细胞和胚胎，都可用这项技术加以遗传改造，展现出各种令人惊喜的前景。其中，基因编辑技术最重要的应用领域是基因治疗。

改造免疫细胞

现今的基因编辑疗法主要有三种，第一种是利用基因编辑技术，将患者自身的免疫细胞、造血干细胞或其他细胞取出并加以修复，然后输回到患者体内，让修复的细胞来治疗艾滋病、白血病、癌症等恶性疾病，疗效显著。

据2014年3月的《新英格兰医学杂志》披露，来自美国宾夕法尼亚大

学和美国Sangamo生物技术公司的

研究人员进行过一种实验，他们利用

锌指酶（ZFN）技术对艾滋病患者

CD4-T细胞中的CCR5基因进行编辑，

并将这些基因编辑CD4-T细胞注射

到12名艾滋病患者体内。

为什么要对免疫T细胞的CCR5

基因进行编辑呢？据美国《科学》杂

志报道，一个携带艾滋病病毒十多

年、后来患有白血病的德国男子蒂莫

西·雷·布朗，在为治疗白血病接受捐

献者的骨髓干细胞移植之后，体内的

艾滋病病毒竟然奇迹般消失了。从

2006年到现在，布朗体内几乎检测

不到艾滋病病毒的遗传物质，这些病

毒更未被复制。之后，医生们给布朗

停用了抗艾滋病药物，并宣布布朗成

为世界上第一个艾滋病彻底治愈

者。后科学家研究发现，在布朗所接

受捐献的骨髓干细胞中含有突变的

CCR5蛋白，它能有效阻止艾滋病病

毒的入侵，这是布朗能战胜艾滋病病

毒的最主要原因之一。之后，科学家

们根据这一原理，利用基因编辑技术

对免疫系统中T细胞或造血干细胞

的CCR5基因进行突变，期望建立一

套像布朗一样、可复制的艾滋病治愈

方法。

被注射基因编辑CD4-T细胞一

周后，患者血液中正常CD4-T细胞会

大幅增加，多数患者的HIV DNA水平

显著下降，其中有一名患者血液中已

检测不到HIV RNA。随着这一实验

的成功，美国Sangamo生物技术公司

已启动了对另外70位艾滋病患者的

类似临床试验，有望开辟一条治愈艾

滋病的新途径。

2015年11月5日，英国《自然》

杂志报道了一个基因编辑技术治疗

白血病女婴的案例。这个一岁的女

婴名叫莱拉，被诊断患有白血病，之

前接受多次常规治疗均告失败。在

无计可施之际，莱拉的父母同意伦敦

接

受

基

因

编

辑

治

疗

的

1

岁

白

血

病

女

婴

莱

拉

大奥蒙德街医院的医生采用基因编辑新疗法放手一搏。医生们将事先经TALEN编辑的健康捐献者T细胞注射到莱拉血液中，很快莱拉的病情出现好转。之后，莱拉的主治医生还计划对另外10～12个白血病患者采取相同的治疗方法。

2016年11月，四川大学华西医院肿瘤科主任卢铀团队在国际上率先开展了一例基因编辑技术治疗转移性非小细胞肺癌的临床试验，以期建立肺癌治疗新方法。另据2018年1月23日报道，杭州市肿瘤医院吴式琇团队已对86名癌症患者实施了CRISPR/

Cas9基因编辑免疫治疗，也就是用基因编辑技术改造患者自身的免疫细胞，然后将其输回患者体内，用来对付癌症细胞。接受治疗的人中，有些患者的症状得到显著改善。

剪除遗传病

第二种基因编辑疗法是利用基因编辑技术，先将具有遗传缺陷的生殖细胞或胚胎修正，再将这些修正后

的胚胎移植到母亲的子宫中，出生的

婴儿将不再遗传父母所患的遗传病。

2015年4月，我国中山大学黄军

研究团队首次在学术期刊《蛋白质与

细胞》上公布了对人类胚胎进行

CRISPR/Cas9基因编辑的消息。不

过，研究人员采用的是医院丢弃的问

题胚胎，并不能成功孕育出婴儿。该

研究的主要目的是对导致β型地中

海贫血的突变基因进行基因编辑，以

研究治疗或根除β型地中海贫血的

可能性。

2016年4月，广东医科大学附属

第三医院范勇博士领导的团队公开

了第二例基因编辑人类胚胎的研究

进展。据他们发表在《辅助生殖与遗

传学期刊》的论文内容显示，从2014

年4月至9月，研究人员从87名志愿

者那里收集了213枚三原核受精

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基因编辑胚胎

基因编辑免疫治疗示意图