年,一个科学研究小组发现,在一个细菌基因的一端有一个奇怪的重复序列。到了年,随着研究人员对基因编辑工具有了更多的了解,他们发现,基因编辑工具似乎是一种精确的万能基因武器,它可以用来删除、添加、激活或抑制其他生物体的目标基因,这些目标基因包括人、老鼠、斑马鱼、细菌和农作物细胞内的基因。
那么,当今基因发展技术现状怎样?基因编辑对人类的发展有什么意义?基因编辑面临哪些挑战?本期首都科学讲堂,由中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、博士生导师马润林先生带大家了解基因编辑的魅力。
文/北京科技报记者何从
基因——生命的源代码
人类和其他一切生物的生长发育均由基因控制。生物的全套基因存在于每一个生物的细胞核内。基因通过DNA复制和细胞分裂传给下一代细胞。检查一个人的DNA突变情况可以追溯其历史,检查特定人群的DNA突变可以追溯其迁徙历史。
基因(遗传因子)是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。基因支持着生命的基本构造和性能。储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。环境和遗传的互相依赖,演绎着生命的繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要生理过程。生物体的生、长、衰、病、老、死等一切生命现象都与基因有关。它也是决定生命健康的内在因素。因此,基因具有双重属性:物质性(存在方式)和信息性(根本属性)。
带有遗传讯息的DNA片段称为基因,其他的DNA序列,有些直接以自身构造发挥作用,有些则参与调控遗传讯息的表现。组成简单生命最少要-个基因。
基因的基本功能是编码与指导合成蛋白质。基因可以说是生命的源代码,也是生命最初的“设计蓝图”。自然界一切的生命形式,无论是动物、植物或微生物,都由其基因精确控制,包括低等生物的无性繁殖、高等生物的有性繁殖、胚胎发育、个体发育、系统发育,还有生物的形态、性状、色彩、习性、寿命、行为以及人类的生老病死……
而生命的内在驱动力,就在于基因要复制与扩散的趋势。基因与环境的相互作用导致了万物的进化和“物竞天择”。携带“有害”或缺陷基因的个体无疑会被自然界的竞争法则所淘汰,而携带“优势”基因的个体则得以顺利繁衍和遗传扩散。
如何“编辑”基因?
基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行“编辑”,实现对特定DNA片段的敲除、加入等,通过基因剪辑和重新排列组合形成基因新的性状。而CRISPR/Cas9技术自问世以来,就有着其它基因编辑技术无可比拟的优势,技术不断改进后,更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。
CRISPR是指“规律间隔短回文重复序列”,Cas9:CRISPR相关蛋白9指的是一种能够切割DNA的核酸酶,Cas9可以切割任何与guideRNA(向导RNA)碱基匹配的dsDNA(双链DNA),由此成为基因编辑的最佳工具酶。
基因编辑具有很大的潜能,因为人类首次能够实现对于任何物种基因进行编辑,这让再造物种成为可能,虽然技术上有待完善,但是潜能已经显现,基因编辑技术前途光明。
基因编辑可服务于人类社会
1.服务于人类健康并开发所需遗传资源
如今基因编辑技术已经应用到了我们生活的方方面面,例如服务于人类健康,如修补和替换一些遗传病患者的缺陷基因;理论上可使大量单基因疾病症状得到矫正或改善;遗传及生育缺陷有望从生殖干细胞水平得到纠正。
制备人类多种疾病的实验动物模型,包括小鼠、大鼠、兔子、猴子等。研究每个人类基因的功能:目标基因敲除、基因敲入、基因定向改变、基因调控等等。修补和替换一些遗传病患者的缺陷基因,理论上可使大量单基因疾病症状得到矫正或改善,遗传及生育缺陷有望从生殖干细胞水平得到纠正。制备和改造用于人类器官移植的动物。
以基因敲除小鼠模型研究为例,科研人员希望找到新生小鼠肺功能不全的基因组学原因,也就是说,到底哪个基因或者基因的变异让刚刚生下来的小鼠无法正常呼吸?由于小鼠是临床前实验的重要模型,该研究将有助于了解人类新生儿肺功能障碍的内在机理,从而帮助人们避免或解决这一问题,使宝宝更加健康。
基因在农业方面也有巨大作用,作为人口大国,农业问题是我国的重中之重。如何使农作物品质提高、产量增加、抗病虫害能力加强,也要通过开发基因技术,大量运用基因编辑和转基因技术来实现。
传统的动物育种方法受到种源的限制,其过程需要耗费大量的人力、物力和财力,经历漫长的培育过程。而且不同种间的杂交很困难,育种成果很难取得突破性进展。基因编辑可以服务于开发人类所需遗传资源,制备多种服务于人类营养需求的转基因动物,比如马、牛、羊、猪、狗、禽类等等。提高农作物产量和质量、改造昆虫、微生物的基因组等等途径为人类改良环境目标服务。
麻省理工学院张锋教授是首位把CRISPR/Cas9应用于哺乳动物细胞的专家,致力于提高农作物产量和质量,大米、小麦、玉米、高良、大豆、甜菜等。而中科院遗传发育所高彩霞教授的杰出贡献全球瞩目,致力于改造昆虫、微生物的基因组为人类改良环境目标服务,基因编辑蚊子基因组,阻断病毒传播,编辑一些细菌基因组,提高工程发酵及污水处理能力。
2.保护地球生态环境
基因编辑技术还能服务帮助人类保护生态自然环境,比如定向编辑某些昆虫基因组,改造埃及伊蚊(一种蚊子)基因组,阻断致病病毒的传播,改造某些授粉昆虫的基因组,提高授粉效率。定向编辑某些微生物基因组,编辑一些工程菌基因组,提高工程发酵效率,编辑某些野生菌基因组,提高污水处理能力。
用基因编辑“修饰生命”
近年来人类基因组计划的实施,使人们初步破解了人体的基因密码,并利用不断发展的测序手段,获得了大量静态的碱基序列。生命可以被现代技术剪辑技术所改造,但是不能被创造。实际上两者本身在哲学上是有重大差异的。我们有必要区分创造和改造,基因技术能够对生命进行改造,但是这在严格意义上是修饰不是创造。因为凡是人工合成的因为设计蓝图的设计者的高度所限,都有一定局限性。
生命是物质运动的一种形式,生命是一个过程,人类的历史与地球生命的历史相比较十分短暂,人类昌盛是物种生存竞争的暂时结果,每一个人的生命都是宝贵的,对人类生命最好的尊重就是以人为本。准确的而言,对遗传密码子的改造是可能的,但生命体的复杂性决定了我们知道的太少。然而技术已展现了前所未有的潜力和希望,通过基因编辑技术,人类可以进一步认识宇宙中生命现象。
(来源:本文根据马润林1月14日在首都科学讲堂的讲座整理)
本期编辑:张宏伟
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