劉耀，熊瑩喆，蔡鎮(zhèn)澤，張冰

基因編輯技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

劉耀，熊瑩喆，蔡鎮(zhèn)澤，張冰

清華大學(xué) 體育與健康科學(xué)研究中心，北京 100084

基因編輯技術(shù)是人為的對(duì)基因片段進(jìn)行修改的一種技術(shù)。新型基因編輯技術(shù)關(guān)注在人工核酸酶剪切技術(shù)領(lǐng)域，主要為ZFN技術(shù)，TALEN技術(shù)，CRISPR技術(shù)以及單堿基編輯技術(shù)?；蚓庉嫾夹g(shù)的不斷完善促進(jìn)了農(nóng)業(yè)，畜牧業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，但與此同時(shí)，技術(shù)缺陷和倫理爭(zhēng)議也為其自身的發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文將對(duì)基因編輯技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)，以及國內(nèi)外的倫理探討進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，期望能啟發(fā)讀者重新認(rèn)識(shí)基因編輯技術(shù)。

基因編輯技術(shù)，發(fā)展，挑戰(zhàn)，倫理學(xué)限制

基因編輯技術(shù)就是對(duì)含有遺傳信息的基因序列進(jìn)行插入、刪除、替換等修改的一種技術(shù)?；蛐蛄懈淖冇锌赡軐?duì)蛋白質(zhì)的表達(dá)造成影響，并且蛋白質(zhì)的一個(gè)重要功能是調(diào)節(jié)生命活動(dòng)，所以基因序列的改變甚至?xí)绊懻麄€(gè)生命體的生理生化活動(dòng)，例如鐮刀形細(xì)胞貧血癥，唐氏綜合征、白化病、色盲、血友病和巨腦癥等。

2018年11月26日，我國南方科技大學(xué)賀建奎團(tuán)隊(duì)宣布一對(duì)經(jīng)過CRISPR/Cas9基因編輯的嬰兒已在11月于中國誕生，宣稱她們可以天然抵抗艾滋病。這個(gè)世界首例宣稱可以抵抗艾滋病的基因編輯嬰兒的出生，引起了國內(nèi)外的巨大轟動(dòng)，對(duì)基因編輯技術(shù)的質(zhì)疑和爭(zhēng)議也隨之而來。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們也越來越意識(shí)到基因編輯技術(shù)的巨大能力，不僅可以借助這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的抗蟲、高產(chǎn)，甚至可以通過基因治療治愈一些疑難雜癥。盡管如此，基因編輯技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，也帶給了人們一些困惑。因?yàn)樽鳛檫z傳物質(zhì)的基因還有很多的未知領(lǐng)域，在沒有弄清楚這些本質(zhì)性的問題之前，貿(mào)然地進(jìn)行一些基因編輯行為，能否精確地解決問題并且不會(huì)引起潛在的風(fēng)險(xiǎn)，目前還存在很多的不確定性。為此，文中將從基因編輯技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和目前面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單討論，試圖引發(fā)讀者的思考。

1 基因編輯技術(shù)的發(fā)展

最早的基因編輯技術(shù)是同源重組技術(shù)(Homologous recombination，HR)，通過引入外源基因，在同源序列間交換實(shí)現(xiàn)基因編輯，但是效率非常低。之后出現(xiàn)了核酸酶的基因編輯技術(shù)，不用引入外源基因，即可對(duì)特定基因進(jìn)行修飾，但是傳統(tǒng)的核酸酶如限制性內(nèi)切酶只能切割短并且簡(jiǎn)單的基因序列，對(duì)于復(fù)雜的生物體執(zhí)行效率較低，于是出現(xiàn)了基于人工核酸酶的更加精準(zhǔn)簡(jiǎn)便的基因編輯技術(shù)[1-2]，即鋅指核酸酶技術(shù)(Zinc finger nucleases，ZFN)、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)的核酸酶技術(shù)(Transcription activator-like effectors nucleases，TALEN) 和規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)相關(guān)蛋白技術(shù)(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR)。新型基因編輯技術(shù)主要的原理基礎(chǔ)是利用核酸酶特異性切割DNA形成雙鏈缺口(Double stranded break，DSB)，然后進(jìn)行目的修復(fù)，從而達(dá)到修改基因片段的目的。修復(fù)缺口的機(jī)制有兩種，一種是內(nèi)源性的非同源末端連接(Non-homologous end-joining，NHEJ)，這是細(xì)胞自身的隨機(jī)修復(fù)機(jī)制，易出現(xiàn)堿基的錯(cuò)配和丟失。另一種是同源重組修復(fù)(Homology-directed repair，HDR)，即在有同源片段的條件下，外源的目的基因能通過同源重組整合入靶基因，降低了錯(cuò)誤率。

1.1 ZFN技術(shù)

第一代基因編輯技術(shù)是1996年出現(xiàn)的ZFN，用于動(dòng)物基因的研究是從2002年ZFN成功用于果蠅基因組編輯時(shí)開始的，并在2003年開始了對(duì)人類細(xì)胞的基因編輯[3-5]。鋅指蛋白(Zinc finger protein，ZFP) 是一類通過Cys2-His2鋅指結(jié)構(gòu)域結(jié)合DNA的轉(zhuǎn)錄因子，由一個(gè)α螺旋和兩個(gè)反向的β平行形成緊密的ββα結(jié)構(gòu)，能特異性識(shí)別3個(gè)連續(xù)的堿基對(duì)。ZFN是通過設(shè)計(jì)鋅指結(jié)構(gòu)域以及多個(gè)鋅指蛋白的不同連接順序?qū)崿F(xiàn)特異性結(jié)合靶標(biāo)基因和限制性核酸內(nèi)切酶Fok I進(jìn)行定點(diǎn)切割的技術(shù)(圖1A)。值得注意的是，F(xiàn)ok I核酸酶需要形成二聚體才可切割DNA產(chǎn)生 DSB，為避免Fok I自身二聚化，將Fok I設(shè)計(jì)為異源二聚體，這樣的設(shè)計(jì)也增強(qiáng)了ZFN的結(jié)合特異性。目前ZFN可以通過HDR或NHEJ來修飾體細(xì)胞和多功能干細(xì)胞的基因組[6]，該技術(shù)靶向結(jié)合效率高，但是蛋白設(shè)計(jì)復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)任意靶基因的結(jié)合，也無法實(shí)現(xiàn)高通量的基因編輯。

1.2 TALEN技術(shù)

第二代基因編輯技術(shù)是2010年出現(xiàn)的TALEN技術(shù)，通過2009年發(fā)現(xiàn)的TALE蛋白識(shí)別靶標(biāo)序列，與ZFN類似，同樣利用限制性核酸內(nèi)切酶Fok I進(jìn)行基因編輯[7-10](圖1B)。TALE蛋白由33–35個(gè)氨基酸的重復(fù)單元組成，通過位于12位和13位的兩個(gè)可變氨基酸殘基識(shí)別并結(jié)合DNA序列，這兩個(gè)位點(diǎn)的氨基酸殘基稱為重復(fù)可變的雙氨基酸殘基(Repeat variable di-residue，RVD)，每個(gè)重復(fù)單元能特異性識(shí)別一個(gè)堿基對(duì)。TALEN的唯一靶向限制是對(duì)N端結(jié)構(gòu)有5'T的要求，因此，通過構(gòu)建不同的RVD和改變TALE的連接順序，理論上可以使TALEN被用于幾乎任何的序列。TALEN在2011年開始用于人類細(xì)胞的基因編輯[11]，目前可在人類多功能干細(xì)胞和體細(xì)胞中有效誘導(dǎo)NHEJ和HDR。與ZFN相比，TALEN的毒性低，蛋白設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是重復(fù)序列更多，工作量巨大，此外，TALEN的體積比ZFN更大，這使得某些病毒傳遞系統(tǒng)的包裝較困難，也無法用于高通量的編輯。

1.3 CRISPR/Cas技術(shù)

從2012年CRISPR/Cas9的體外重構(gòu)到2013年實(shí)現(xiàn)對(duì)人類細(xì)胞的基因編輯，第三代基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9開啟了基因編輯技術(shù)領(lǐng)域的新篇章[12-13]。

最初在1987年，日本科學(xué)家在研究細(xì)菌DNA結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌DNA中會(huì)存在一段重復(fù)結(jié)構(gòu)[14]，之后的時(shí)間里有人也發(fā)現(xiàn)了這些重復(fù)結(jié)構(gòu)，并且在2002年將這些重復(fù)結(jié)構(gòu)命名為CRISPR序列[15-16]。這段序列的功能探索持續(xù)了20年，直到2007年首次證實(shí)了該序列的功能是用于細(xì)菌免疫病毒感染[17]。當(dāng)細(xì)菌首次感染病毒時(shí)，會(huì)將病毒DNA切下來一小段，并且插進(jìn)自身基因中，為了標(biāo)記這段插入的序列，前后會(huì)加一段重復(fù)序列結(jié)構(gòu)，這是第一階段適應(yīng)期。當(dāng)細(xì)菌再次遇到病毒侵襲時(shí)，CRISPR基因指導(dǎo)Cas9蛋白的表達(dá)和sgRNA的組裝，sgRNA由經(jīng)轉(zhuǎn)錄和剪切后成熟的CRISPR RNA (crRNA) 和反轉(zhuǎn)錄式crRNA (Trans-activating crRNA，tracrRNA) 組成，用于識(shí)別病毒，這是第二階段表達(dá)期。如果和之前記錄的病毒DNA一樣，Cas9蛋白在sgRNA的引導(dǎo)下結(jié)合靶標(biāo)DNA，并且進(jìn)行所需要的切割，這是第三階段干擾期。簡(jiǎn)而言之，CRISPR/Cas9技術(shù)通過sgRNA與靶標(biāo)DNA中相對(duì)保守的PAM序列的上游基因互補(bǔ)配對(duì)，再經(jīng)Cas9蛋白對(duì)靶標(biāo)基因進(jìn)行切割(圖1c)，這種特異性的天然獲得性免疫機(jī)理，稱為CRISPR防御系統(tǒng)[18]。后來研究者意識(shí)到改造這個(gè)系統(tǒng)的sgRNA，使其與目標(biāo)片段匹配，就可以精確地針對(duì)所有DNA。匹配完成后Cas9剪下DNA形成DBS，為避免NHEJ出現(xiàn)基因變異，可使用外源DNA模板進(jìn)行HDR，對(duì)靶標(biāo)基因進(jìn)行目的修飾，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)基因編輯。而且人工改造過的CRISPR系統(tǒng)可以同時(shí)針對(duì)多個(gè)靶向基因，這在研究復(fù)雜的人類疾病上是一個(gè)巨大的進(jìn)步。與ZFN和TALEN相比，CRISPR/Cas9設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、成本低、效率高，可用于高通量的基因編輯，但是依舊存在脫靶問題[19-20]。

目前CRISPR系統(tǒng)根據(jù)RNA和Cas蛋白的不同組合分為5種類型[21]，“基因編輯嬰兒”所用的CRISPR/Cas9技術(shù)也是目前應(yīng)用最多的CRISPR Ⅱ型系統(tǒng)。

1.4 單堿基編輯技術(shù)

2016年出現(xiàn)的單堿基編輯技術(shù)(Base editor, BE) 目前已成為基因編輯技術(shù)的重要組成部分[22]。BE是在CRISPR/Cas9技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，由sgRNA和融合蛋白組成，融合蛋白則為經(jīng)過改造的Cas9、胞嘧啶脫氨酶和尿嘧啶糖基化酶抑制子的復(fù)合體。胞嘧啶脫氨酶可將胞嘧啶(Cytosine, C)脫氨基變?yōu)槟蜞奏?Uracil，U)，在DNA復(fù)制過程中則變?yōu)樾叵汆奏?Thymine，T)。尿嘧啶糖基化酶抑制子可抑制中間產(chǎn)物U的切除，增加了DNA鏈上C變?yōu)門的效率。經(jīng)改造過的Cas9有兩種類型，一種是無核酸內(nèi)切酶活性的dCas9 (Catalytically dead Cas9)，可結(jié)合靶基因但不切割靶基因，另一種是單鏈DNA切口活性的nCas9 (Cas9 nickase)，兩種Cas9蛋白均不會(huì)產(chǎn)生DBS，從而避免了NHEJ的錯(cuò)配，也不用考慮HDR的低效率問題。2017年實(shí)現(xiàn)的從A到G的BE技術(shù)進(jìn)一步推進(jìn)了通過點(diǎn)突變進(jìn)行基因編輯的發(fā)展[23]。相信隨著基因編輯技術(shù)的深入研究，未來會(huì)出現(xiàn)更多更加高效精準(zhǔn)的基因編輯技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也必將越來越廣闊。

圖1 ZFN、TALEN及CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)

2 基因編輯技術(shù)的應(yīng)用

2.1 農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)

在自然條件下，某些植株發(fā)生基因突變可能會(huì)生長(zhǎng)更強(qiáng)壯、果實(shí)更加碩大，選擇這些植株進(jìn)行擴(kuò)大培育也就是農(nóng)作物培育選種的過程。為了縮短自然篩選的過程，最初生物學(xué)家用化學(xué)物質(zhì)或者輻射誘導(dǎo)突變，但是誘導(dǎo)突變的過程耗時(shí)較長(zhǎng)，并且準(zhǔn)確度不高。基因工程技術(shù)的出現(xiàn)加速了農(nóng)作物的選種過程，主要是通過引入外源性基因來控制植物體性狀的表達(dá)從而獲得的“轉(zhuǎn)基因”植物，但是轉(zhuǎn)基因食品的食用安全性一直是普通民眾爭(zhēng)議的話題。CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)又讓農(nóng)作物的培育方式發(fā)生了改變，在無需引入外源性基因的條件下，直接定向修改植株本體基因，并且成本低、效率高，為培育性狀優(yōu)良的農(nóng)作物提供了新的選 擇[24-25]。2017年3月美國農(nóng)業(yè)部已經(jīng)批準(zhǔn)經(jīng)過基因編輯技術(shù)誘導(dǎo)而產(chǎn)生突變的農(nóng)作物不需要額外的監(jiān)督管理，他們認(rèn)為和傳統(tǒng)的基因突變過程相似，轉(zhuǎn)基因的農(nóng)作物和傳統(tǒng)育種無差別，但是歐盟目前還沒有作出相關(guān)定論。同樣在畜牧業(yè)中，基因編輯技術(shù)可以生產(chǎn)美味可口、營養(yǎng)價(jià)值高、質(zhì)量更好的肉、蛋、奶等產(chǎn)品，但是其食用安全性方面目前并沒有科學(xué)全面的評(píng)價(jià)。

2.2 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

基因編輯技術(shù)不斷完善，為基因領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)有力的研究工具。目前已經(jīng)建立了基于CRISPR/Cas9的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)[26-27]，利用無酶切活性的dCas9與具有不同調(diào)節(jié)功能結(jié)構(gòu)域的融合，能夠抑制或激活目的基因的表達(dá)。其次，對(duì)于細(xì)胞動(dòng)物模型的構(gòu)建，基因編輯技術(shù)提供了更加簡(jiǎn)單的造模方法。例如，傳統(tǒng)的小鼠模型構(gòu)建方法是在小鼠胚胎干細(xì)胞引入突變，然后將突變成功的干細(xì)胞導(dǎo)入囊胚，而基因編輯技術(shù)可以直接在胚胎水平對(duì)靶基因進(jìn)行修改，極大地提高了制作效率，目前已經(jīng)成功運(yùn)用于大鼠、小鼠、猴子等動(dòng)物的基因修飾[28-30]。最重要的是，利用基因編輯技術(shù)進(jìn)行基因治療的研究在近幾年進(jìn)展飛速，通過基因編輯可以從根本上糾正受體有缺陷的基因，從而治療某些疾病[31]，例如在2019年，著名學(xué)者張鋒的基因組編輯公司(Editas Medicine)采用CRISPR/Cas9基因療法，巧妙地去除由CEP290基因中的IVS26突變產(chǎn)生的異常剪接供體，使CEP290基因正常表達(dá)，最終成功恢復(fù)了Leber先天性黑蒙癥10型的視力[32]。在癌癥的治療上，可通過編輯免疫細(xì)胞，增強(qiáng)免疫細(xì)胞的功能，使其能夠識(shí)別并消滅癌細(xì)胞，Strimvelis、Kymriah和Yescarta這3個(gè)藥物都是通過這種方法分別將基因藥物整合到患者造血干細(xì)胞和T細(xì)胞再自體回輸來進(jìn)行癌癥治療的。近些年來基因編輯技術(shù)已經(jīng)對(duì)白血病、淋巴瘤、肝癌、肺癌的治療等展現(xiàn)出了初步的研究結(jié)果[33]，但是其應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)性也是不能被忽視的。2003年，在一項(xiàng)針對(duì)嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺乏癥(SCID)的基因治療臨床試驗(yàn)中，兩名受試者在注射藥物后患上了白血病。因此，在臨床治療中基因編輯技術(shù)還需要不斷的探索和完善。另外，值得注意的是基因編輯技術(shù)在人類細(xì)胞水平和人類胚胎水平的探索和應(yīng)用也要區(qū)別對(duì)待?！盎蚓庉媼雰骸笔录獾搅丝茖W(xué)家們的一致批判與反對(duì)，在基因編輯技術(shù)尚不夠成熟的基礎(chǔ)上進(jìn)行人類胚胎細(xì)胞的編輯，這是極其不負(fù)責(zé)任，在倫理學(xué)上也是決不允許的。

3 基因編輯技術(shù)的挑戰(zhàn)

3.1 技術(shù)缺陷

CRISPR/Cas9技術(shù)的出現(xiàn)讓基因領(lǐng)域的研究蓬勃發(fā)展，但是仍然存在一些技術(shù)缺陷需要完善。第一是脫靶效應(yīng)，也就是識(shí)別到非靶標(biāo)基因也會(huì)進(jìn)行基因編輯，雖然已經(jīng)有基于CRISPR/Cas9技術(shù)的多種衍生改良技術(shù)的出現(xiàn)，例如為降低脫靶效率設(shè)計(jì)的CRISPR/Cas9-nickase基因編輯技術(shù)[34]、CRISPR/Cas9-I基因編輯系統(tǒng)[35]和能與Cas9系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)的CRISPR/Cas12a基因編輯技術(shù)[36]，還有能實(shí)現(xiàn)對(duì)RNA進(jìn)行基因編輯的Cas13a、Cas13b、Cas13d系統(tǒng)[37-40]，這些技術(shù)降低了脫靶率并且提高了精準(zhǔn)度，但是依舊無法完全解決這個(gè)問題。脫靶效應(yīng)是目前制約基因編輯技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，也是亟待解決的核心問題。第二是效率問題，研究表明CRISPR/Cas9技術(shù)進(jìn)行HDR相比NHEJ的效率低，僅為3.5%到15.6%[13,41]。有研究顯示HDR依賴于sgRNA和Cas9的濃度[42-43]，但是提高sgRNA和Cas9的濃度會(huì)增加脫靶效應(yīng)。因此，平衡sgRNA和Cas9的濃度，提高HDR的效率也是需要解決的問題之一。第三是運(yùn)輸問題，目前病毒載體廣泛應(yīng)用于CRISPR/Cas9技術(shù)，包括腺病毒載體(AdVs)、整合酶缺陷型慢病毒載體(IDLVs) 和重組腺相關(guān)病毒載體(rAAVs)，這些病毒載體都不會(huì)整合入宿主DNA中。IDLV載體容量較大，約10 kb，但是會(huì)持久表達(dá)Cas9加強(qiáng)脫靶效應(yīng)。AdVs和rAAV具有低免疫原性和非致病性，缺點(diǎn)是容量較小，約4.5 kb，然而CRISPR-Cas9約為8–10 kb[44]。有研究使用兩個(gè)獨(dú)立的rAVV包裝CRISPR-Cas9，但這種設(shè)計(jì)會(huì)影響CRISPR/Cas9技術(shù)的效率[45]。第四是免疫排斥，CRISPR/Cas9技術(shù)來源于原核生物天然獲得性免疫系統(tǒng)，人類本身不具有Cas9蛋白，并且存在Cas9抗體[46-47]，在基因治療的過程中，外源性的蛋白以及病毒載體的導(dǎo)入會(huì)使機(jī)體產(chǎn)生免疫排斥，這必然會(huì)讓研究者考慮到安全性的問題。第五是副作用，2018年有報(bào)道稱CRISPR/Cas9高效編輯的同時(shí)伴隨著人類基因的功能抑制[48-49]，然而基因是人體重要的抑癌基因，這會(huì)增加癌細(xì)胞的逃逸機(jī)會(huì)，或讓基因編輯過的細(xì)胞成為潛在癌細(xì)胞。另外，在2018年7月還有研究團(tuán)隊(duì)通過第三代測(cè)序技術(shù)大范圍的基因型鑒定，發(fā)現(xiàn)CRISPR/Cas9會(huì)導(dǎo)致靶點(diǎn)附近大段基因組片段的丟失，甚至還有DNA重排問題[50]，但是這個(gè)問題僅在細(xì)胞中出現(xiàn)，胚胎水平還沒有相應(yīng)大片段丟失的報(bào)道。綜上所述，在眾多技術(shù)問題，特別是脫靶效應(yīng)還未得到明確的解決之前，基因編輯技術(shù)尚不能稱之為成熟的基因工具。

3.2 倫理問題

3.2.1 國內(nèi)外基因編輯倫理規(guī)范的發(fā)展

目前，國內(nèi)外對(duì)基因編輯的邊界和紅線都達(dá)成了共識(shí)(表1、2)，對(duì)胚胎發(fā)育階段或生殖系細(xì)胞進(jìn)行體外基因編輯的研究是被允許的，但絕不能用于生殖的目的，而且其研究的過程需要政府主管部門進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)管，流程需要公開透明。很顯然目前“基因編輯嬰兒”這一事件，突破了國內(nèi)外共識(shí)。

表1 國外對(duì)基因編輯技術(shù)的倫理規(guī)范

表2 國內(nèi)對(duì)基因編輯技術(shù)的倫理規(guī)范及態(tài)度聲明

3.2.2 “基因編輯嬰兒”的倫理討論

2015年4月，中山大學(xué)黃軍就團(tuán)隊(duì)利用廢棄胚胎進(jìn)行基因編輯試驗(yàn)[51]，這項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)軒椭接懸恍┲卮蠹膊≡诨驅(qū)用娴某梢?，并有助于研究胚胎發(fā)育過程中基因所發(fā)揮的作用，而且試驗(yàn)所使用的胚胎也在14 d后銷毀。盡管在當(dāng)時(shí)引起了倫理上的爭(zhēng)議，但是試驗(yàn)的目的是科學(xué)上的有益探索，試驗(yàn)的結(jié)果也是可控的，最終也是被各國的科學(xué)家所接受[52]，最終促成了相關(guān)國際倫理制約機(jī)制的建立即第一屆人類基因組編輯國際峰會(huì)的順利召開[53]。2016年四川大學(xué)盧鈾團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了癌癥基因治療的臨床研究，將肺癌患者的T細(xì)胞經(jīng)過基因編輯后重新注入患者體內(nèi)，以達(dá)到治療癌癥的目的，當(dāng)時(shí)同樣引發(fā)了很多質(zhì)疑，但都是在討論技術(shù)安全性方面[60]，因?yàn)槲瓷婕叭祟惿臣?xì)胞，研究的結(jié)果是可控的。相反，前不久中國深圳科學(xué)家賀建奎跨過人類胚胎基因編輯技術(shù)的體外試驗(yàn)階段，在胚胎上進(jìn)行基因編輯并植入母體，最終有2名志愿者懷孕，且其中1名已經(jīng)產(chǎn)下雙胞胎女嬰，另1名則仍在孕中。這一事件一經(jīng)宣布，立即引起了世界的關(guān)注，科學(xué)家們對(duì)此事更多的是質(zhì)疑和負(fù)面評(píng)價(jià)。首先，從技術(shù)層面上，CRISPR/Cas9技術(shù)并不是完美無缺的，技術(shù)上的缺陷帶給了兩個(gè)“基因編輯嬰兒”未知的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。其次，在研究意義上，目前已經(jīng)有很多種成熟的技術(shù)使艾滋病患者孕育健康的嬰兒[61]，例如父親是艾滋病感染者，可通過高效抗病毒藥物將父親血液內(nèi)病毒水平降低到無法檢測(cè)即可備孕，或者通過體外洗精的方式進(jìn)行體外受精。如果母親是艾滋病感染者，可通過高效抗病毒藥物治療，安全助產(chǎn)和科學(xué)喂養(yǎng)的方式使傳播幾率降低到幾乎為零，而基因編輯這種高風(fēng)險(xiǎn)的嘗試是完全沒必要的?？茖W(xué)研究應(yīng)該優(yōu)先考慮人類存在的本身意義，然后才是科學(xué)探索。

隨著科技的發(fā)展和研究的深入，特別是“基因魔剪”CRISPR/Cas9技術(shù)的問世，基因編輯技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。CRISPR/Cas9能夠高效率地為我們解決一些復(fù)雜問題，并且能夠?yàn)榭蒲泄ぷ髡咛峁┤碌囊暯?，但是其潛在的長(zhǎng)期安全有效性仍然需要合理并且全面的評(píng)價(jià)?？茖W(xué)的研究是需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)的，特別是這種針對(duì)人體基因的編輯，它的影響是長(zhǎng)遠(yuǎn)而且深刻的。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人類的科研活動(dòng)避免不了要觸及倫理的敏感區(qū)，但是科學(xué)研究不能因此就停止探索的腳步，應(yīng)該在科學(xué)判斷和倫理考慮的基礎(chǔ)上，建立起與科技發(fā)展相適應(yīng)的倫理制度。

4 總結(jié)和展望

最初，基因編輯技術(shù)的科學(xué)研究是為了治療或者預(yù)防某些疾病，但是隨著研究的不斷深入，科研人員發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用于基因增強(qiáng)、“設(shè)計(jì)嬰兒”等的無限可能。雖然基因編輯技術(shù)的無限潛力已經(jīng)初步顯現(xiàn)，但是，隨之而來的潛在風(fēng)險(xiǎn)更要引起我們的反思。所以，只有加以控制并且合理地應(yīng)用基因編輯技術(shù)才可能會(huì)造福于人類, 反之，沒有原則的濫用則可能會(huì)帶來難以控制的災(zāi)難性后果。因此，基因編輯技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用必須遵循一定的生命倫理原則。另外，基因編輯技術(shù)目前還沒有達(dá)到理想的水平，作為科研人員應(yīng)該不斷加強(qiáng)自身能力，去完善科學(xué)技術(shù)上的缺陷，才能最大程度上降低那些未知的風(fēng)險(xiǎn)。最后，科研工作也迫切需要建立相關(guān)的法律法規(guī)、完善的管理體制，并且要重視對(duì)科研人員的科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，對(duì)可能有潛在風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)研究進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管。同時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)普通民眾的科學(xué)普及與教育，這次的“基因編輯嬰兒”事件，“基因編輯”這個(gè)名詞已經(jīng)超出了受試者的認(rèn)知詞匯。因此，不斷增強(qiáng)全社會(huì)的科研素養(yǎng)，培養(yǎng)樹立科研安全意識(shí)，對(duì)科研的發(fā)展具有重要意義。在發(fā)展科學(xué)技術(shù)的同時(shí)，盡可能地去降低它帶來的負(fù)面影響，才能運(yùn)用科學(xué)技術(shù)更好地造福人類社會(huì)。

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Development and challenges of gene editing technology

Yao Liu, Yingzhe Xiong, Zhenze Cai, and Bing Zhang

Sports and Health Science Research Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Gene editing is a technique for modifying gene fragments. The novel gene editing technology focuses on the field of artificial nuclease cleavage technology, mainly ZFN technology, TALEN technology, CRISPR technology and base editing technology. The continuous improvement of gene editing technology has promoted the rapid development of agriculture, animal husbandry and biomedicine, but at the same time, technical defects and ethical controversy have brought enormous challenges to its own development. This article will briefly discuss the development and challenges of gene editing technology, as well as the views at home and abroad, and hope to inspire readers to recognize gene editing technology.

genetic editing technology, development, challenge, ethical limitations

December 25, 2018;

June 18, 2019

Supported by: Topic of Higher Education Science Research for 13th Five-Year Planning supported by China Association of Higher Education (No. 17TY021).

Bing Zhang. Tel: +86-10-62796932; E-mail: bzhang@tsinghua.edu.cn

中國高等教育學(xué)高等教育科學(xué)研究“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題(No.17TY021) 資助。

劉耀, 熊瑩喆, 蔡鎮(zhèn)澤, 等. 基因編輯技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn). 生物工程學(xué)報(bào), 2019, 35(8): 1401–1410.Liu Y, Xiong YZ, Cai ZZ, et al. Development and challenges of gene editing technology. Chin J Biotech, 2019, 35(8): 1401–1410.

(本文責(zé)編 郝麗芳)