为何高中生都能操作的基因编辑，会是诺奖级的神器？诺奖基因编辑蛋白

发布时间：2018-11-26 18:00:08

来源：造就微信公众号作者：罗永伦丹麦奥胡斯大学生物医学系，基因组编辑和再生医学副教授大家下午好，我叫罗永伦，现在是丹麦奥胡斯大学医学院生物医学系的副教授，我的工作主要是利用干细胞，还有大家比较熟悉的猪，以及基因编辑这项比较热门的技术，来进行

　　来源：造就微信公众号

　　作者：罗永伦丹麦奥胡斯大学生物医学系，基因组编辑和再生医学副教授

　　大家下午好，我叫罗永伦，现在是丹麦奥胡斯大学医学院生物医学系的副教授，我的工作主要是利用干细胞，还有大家比较熟悉的猪，以及基因编辑这项比较热门的技术，来进行人的再生医学的研究。

　　基因编辑究竟是一个什么样的黑科技，它是不是这么深奥，要很高的科技才能够运用，或者它是不是很简单，我们在厨房里面也能做？

　　基因编辑是什么？

　　一是删除，有一些基因不需要的，我们把它删除掉；二是修正，有一些基因是错误的，但我们删除不了，就去修正它；三是如何准确的把一个有用的基因插到一个稳定、安全的基因组位点里。

　　这就是统称为基因编辑的三大类。

　　让人体移植器官立等可取

　　先说我的博士课题研究，当时我想构造一个能够模拟人乳腺癌的克隆猪模型，当时用的还是传统的基因打靶技术，花了两年。把第一头小猪做出来我还是很兴奋的，一个人在猪场睡了3天，为了陪小猪。

　　2013年我们利用了第二代基因编辑技术，也就是TALEN，花了一年就构造出一个糖尿病猪。这头猪现在已经配合药企在进行一些药物的检测和研发。现在我们团队跟美国哈佛医学院的George Church教授和杨璐菡博士一起合作开发未来可以用于人体器官移植的克隆猪。

　　这项工作我们现在当然还没有达到临床应用的要求，因为它还需要解决几个问题。

　　我们现在最起码已经接近把一个问题完全解决：如何把猪内源性逆转录病毒给去除掉。

　　猪基因组中也携带内源性逆转录的病毒，它移植人体之后，可能会把这些病毒传到人类身上去，我们可以通过基因编辑的方法，把这些内源性病毒基因给去除掉，我们现在已经获得了比较成功的模型。

　　除此之外，我们还将继续解决如何避免在猪的器官移到了人的身上之后，会引起的免疫排斥反应。

　　第三个尝试是，我们想构建不会得疾病乃至癌症的猪。我们希望在未来能够解决人体移植器官缺乏的问题，（让它立等可取）。转基因不能说有害也不能说无害但基因编辑更安全。

　　基因编辑的第二大类的应用跟农业相关。

　　可能大家都比较关心转基因，对这个概念基本是谈之色变，没有科学家喜欢表达这个事情。

　　我给大家举几个育种改良的例子：

　　一。杂交育种。

　　大家都比较喜欢混血儿对不对，长得又帅又漂亮，从遗传学的角度来讲，也许相当于一半中国人的基因信息，加上一半美国人的遗传信息合在了一起，这个概念跟杂交水稻是一样的，都是两个拷贝的信息，杂在一起就具有优势，就表达出比较优势的表型。

　　二。突变育种和太空育种。利用太空射线，随机地将基因位点突变，然后筛选其中的表型优势的种子，这跟传统的照射是一样的。

　　三。转基因。传统的转基因概念就是，你可以随便把另外一个基因，要么来自病毒的，细菌的或者另外一个物种的，通过载体，随机地插入到另外一个物种的基因组里。这个插入是随机的，所以我们现在既不能证明它是有害的，也不能证明它是无害的。

　　四。基因编辑。

　　这种技术可以做到无痕，无印记地修改自身基因。比如小麦有白粉病，我们可以用基因编辑技术删除3个冗余基因，来根治小麦白粉病。

　　大家平时吃苹果，苹果切开了之后，放了一会，肯定会黄会锈。另外一个物种蘑菇，切了以后也会变黑，这都是因为它们多了一个不应该多的ppo基因造成氧化，用基因编辑把它去掉，以后你切下来的苹果，切下来的蘑菇，它就不会氧化，因为你不需要这个基因。

　　从遗传的角度，这些物种可能进化慢了一些，还没有把这基因给去除，（我们帮助它自身进化了）。

　　因为和转基因导入外来基因的不同，所以美国农业部宣布，通过CRISPR编辑的抗氧化蘑菇，是直接获得不带有任何外源的遗传信息基因的农作物，它不需要像传统转基因食品一样地经过审批才能上市。

　　基因编辑可以治艾滋病、白血病可以让蚊子不孕不育以致消灭疟疾

　　最后一个例子关于我们的健康。这是卫计委的一个数据，我国艾滋病病人的数量有50万，我们现在还没有完全治愈艾滋病的方法，那么用基因编辑的方法可以吗？

　　有两个途径，一个在科研上已经证明我们可以直接用基因编辑的方法，把艾滋病病毒给去除，另外一个是间接编辑免疫细胞，让它变得能够抵抗病毒。

　　基因编辑还可以治疗急性淋巴白血病，这是比较成功的应用在临床上的一个例子。

　　这个小女孩一出生，半岁就得了白血病，当时在没有任何治疗方法情况下，利用基因编辑，把免疫细胞进行修复，这样免疫细胞，它一是可以杀癌症细胞，第二这些基因编辑过的免疫细胞不会被化疗药物所杀死，第三它不会被小孩体内的免疫系统给排斥掉。

　　最后跟大家聊聊比较熟悉的蚊子。

　　我们屠呦呦院士因为抗疟疾的青蒿素拿了诺贝尔奖，现在我们还可以通过制造不会携带疟疾、传播疟疾的蚊子来消灭疟疾。

　　现在科学家已经培养出有不孕不育型的蚊子，它们携带可遗传抑制疟疾的“基因”。

　　这些蚊子所繁殖的后代都是不孕不育的，希望通过这个方法以后就没蚊子了。但是大家可能会担心，这个不孕会不会传播到我们人类这边来？

　　我的思考是：任何的技术都是一把双刃剑，主要是我们怎么去掌握它，怎么去应用它，怎么去调控它，把它用在对我们好的一面，避免它用在对我们不好的一面。

　　农业和医疗，我们也需要一个比较好备案和记录的体系，严谨的检测和验证。

　　基因编辑的原理是什么？

　　在座的各位，我们之间差别很大，我们这个物种和猪，从样子上也是差别很大，但在基因上我们很接近，因为构成我们每个人遗传信息的最基本的单元，可以用四个字母来代替，就是A，T，C，G，它们构成了我们所有的遗传信息。

　　而一个小小的碱基字符的错误，则有可能会导致疾病的发生，例如乳腺癌就可能是由于人体一个基因突变导致的。

　　我们身体里面，大概有数万亿个细胞，每个细胞都带着一整套完整的基因组信息，把这些信息都提取出来，装在一个一个小小的U盘里面，它的数量是可以装满一艘泰坦尼克号。

　　这是我们基因组的DNA，它就像一根绳子，假如你想对这个绳子进行一些修饰，得先把DNA双链打断，打断了之后，为了能够完整修复，细胞里面有两个机制，其中一个机制叫非同源末端连接，相当于把两个绳子粘起来一样。但这样粘起来是不完美的，它可能会有一个伤疤，基因组信息里面就有一些小小的缺失，会有一些比较小的插入，这是细胞修复比较常用的机制。这个方法可以把一些不需要的基因给抑制掉，或者沉默掉。

　　细胞DNA损伤修复还有另外一个机制，就是可以给它提供一个模板，这样可以很完美地把损伤DNA给修复过来，这就像我们无创修复，或者是美容，完全修复回原来那样，再添加一个比较有用的信息。

　　细胞里的修复机制，是我们每个人带有的，其他的动物植物细菌、真菌都都带有这个机制，所以基因编辑终极目标，就是如何找到能够准确地把DNA双链打断的工具或者方法。

　　第三代基因编辑技术高中生都能操作

　　基因编辑是一个发展了很多年的技术，但之前发展是比较缓慢的。

　　第一代基因编辑技术ZFN，相当于我们的最原始的第一代计算机，它是可以计算，但是用起来特别麻烦，很难制作而且不稳定；第二代技术TALEN，它的原理也是一样的，但是用起来也相对比较麻烦，而且制作比较难；这两项技术它们的原理是基于蛋白结合到DNA上面去，然后再借助一把像剪刀似的东西，就是一个DNA内切酶，把DNA双链给打断，重新基因编辑。
第三代CRISPR-Cas9这个神器，是比较黑科技的发明。

　　我们都知道，每年我们都会流感，细菌跟我们一样，它也会面临着他们的天敌：无数的病毒，就像一个个无数的定时炸弹。它们怎么样快速的去解除这些定时炸弹？

　　细菌的体内有一种类似录音机和拆弹专家的免疫机制，叫做CRISPR及CRISPR相关蛋白（cas），这个图里面可看到，一个噬菌体侵染细胞的时候，它会把它的DNA注射到细菌里面去，那么细菌里面有一个CRISPR位点，相当于一个录音机它能够记录来自于病毒的重要的基因组信息，并把它们录下来。

　　这个录下来其实就是把他们的DNA整合到细菌的CRISPR位点里面去，第二步它会进行一个播放，接下来我们音乐开始播放了，这个播放其实就相当于他们把这些信息给表达出来。
表达完了之后，细菌的体内有一个比较聪明的拆弹专家，就是Cas蛋白，这Cas蛋白接到指令，就开始寻找在细胞体，任何只要携带着跟这个音乐乐调相符合的信息，对它进行破坏，然后实现清除，也就是为什么细菌可以抵抗病毒。

　　作为拆弹专家的Cas蛋白，不同的细菌有不同蛋白表现，但他们往往需要几种蛋白协作才能完成清除。但有些细菌比较聪明，比如化脓性链球菌，这是我们经常会面临的一个细菌之一，它会导致化脓发烧，这个细菌比较聪明，它的身体里面Cas9蛋白，也就是作为拆弹专家，只需要一个人就可以完成，就相当于一个超人一样，它具有所有的能力，一个人就可以执行所有的任务。