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1.尋找解藥

最近，我聽到了一個(gè)不可思議的故事，它充分體現(xiàn)了基因編輯的力量和巨大潛力。

2013年，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的科學(xué)家們遇到了一個(gè)醫(yī)學(xué)難題。這些研究人員在研究一種叫作WHIM綜合征的罕見遺傳病，但這位患者的狀況令他們一頭霧水。她從小就被診斷患有該病，但當(dāng)國立衛(wèi)生研究院的科學(xué)家遇到她時(shí)，疾病竟然奇跡般地從她體內(nèi)消失了。

在世界范圍內(nèi)，WHIM綜合征患者不過幾十個(gè)人，但它是一種令人痛苦的，甚至可能致死的免疫缺陷疾病，患者的生活受到嚴(yán)重影響。它的起因是一個(gè)微小的突變——在人體32億對堿基序列里，有一個(gè)字母出錯(cuò)了（區(qū)別只是幾十個(gè)原子的大小）。這個(gè)微小的變異讓W(xué)HIM患者特別容易被人乳頭瘤病毒（human papillomavirus, HPV）感染，引起皮膚疣，后者失控地生長，最終演變成癌癥。

國立衛(wèi)生研究院的科學(xué)家遇到的這位患者，正是20世紀(jì)60年代該疾病首次被報(bào)道時(shí)的那位女孩——這也從側(cè)面說明了該病的罕見程度。在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中，她通常被叫作WHIM-09，但是我會(huì)叫她金女士。金女士從一生下來就患有WHIM，后來也因該病引發(fā)的嚴(yán)重感染多次住院。

2013年，金女士58歲了。她帶著兩個(gè)20歲出頭的女兒，一道來見國立衛(wèi)生研究院的研究人員。她的女兒也表現(xiàn)出了WHIM的典型癥狀，但研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，金女士自己似乎安然無恙。事實(shí)上，她已經(jīng)20多年沒什么癥狀了。令人震驚的是，沒有接受任何醫(yī)療干預(yù)，金女士自愈了。

金女士如何憑一己之力就從這種致命的疾病中逃過一劫？科學(xué)家通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些重要的線索：在金女士的臉頰和皮膚細(xì)胞里，引起WHIM的突變基因仍然存在，但是在她的血液里，這個(gè)突變卻不見了。研究人員對金女士血細(xì)胞的DNA進(jìn)行了仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)了一些更不可思議的事情：她的一條2號染色體上缺失了一段DNA，包括3500萬個(gè)堿基序列，而這一段里含有完整的突變基因，叫作CXCR4。2號染色體上余下的大約2億個(gè)堿基也被打亂了，就像龍卷風(fēng)席卷過染色體，其中的堿基序列一片狼藉。

這些初步發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列疑問。金女士體內(nèi)其他細(xì)胞的DNA是正常的（CXCR4基因突變除外），但血細(xì)胞里的DNA怎么變得如此無序？此外，考慮到含有CXCR4基因的染色體已經(jīng)被打亂，而且缺失了164個(gè)基因，血細(xì)胞為何仍然能夠存活，而且可以正常行使功能？人類的基因組里含有數(shù)千個(gè)基因，它們發(fā)揮著重要的功能，比如DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂。金女士體內(nèi)竟然會(huì)有這么多基因憑空消失了，而且似乎沒有什么糟糕的后果，這到底是怎么回事？

國立衛(wèi)生研究院的研究人員進(jìn)行了更多測試，終于為這種驚人的自愈現(xiàn)象拼接出一個(gè)完整的解釋鏈。他們的結(jié)論是，她體內(nèi)的某個(gè)細(xì)胞必然經(jīng)歷了一種極不尋常但通常引發(fā)災(zāi)難性后果的事件——染色體碎裂（chromothripsis）。這是一種新近發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：染色體突然粉碎，然后重新修復(fù)，引起基因劇烈重排。它對身體的影響可能微乎其微（如果破損的細(xì)胞馬上死去），也可能非常嚴(yán)重（如果重排的DNA意外激活了致癌基因）。

不過，在金女士體內(nèi)，染色體碎裂的影響卻非同尋常。突變的細(xì)胞不僅長勢良好，而且丟棄了致病的CXCR4基因，于是，WHIM綜合征就自動(dòng)消失了。

但金女士的好運(yùn)還不止于此。國立衛(wèi)生研究院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這個(gè)幸運(yùn)的細(xì)胞還是一個(gè)造血干細(xì)胞，它可以通過無數(shù)次復(fù)制和再生，分化出各種血細(xì)胞。這種細(xì)胞不斷復(fù)制、增殖，最終把金女士免疫系統(tǒng)里的白細(xì)胞都替換成了不含CXCR4突變拷貝的健康細(xì)胞。這一連串的事件聽起來如此不可思議，但金女士的確因此康復(fù)了。

在研究人員為金女士的狀況寫的總結(jié)報(bào)告里，他們說到：金女士是“自然界里一種前所未見的實(shí)驗(yàn)”的受益者——她體內(nèi)的一個(gè)干細(xì)胞經(jīng)歷了一次自發(fā)突變，拋棄了致病基因。簡言之，這是一次天賜的意外——稍有不當(dāng)，金女士可能因此斃命；相反，金女士卻因此得救。

為了理解這種結(jié)果是多么偶然，不妨把人類的基因組想象成一個(gè)巨型軟件。在金女士身上，這個(gè)軟件里含有一個(gè)錯(cuò)誤代碼——要知道這個(gè)軟件里有60多億行代碼。要檢修軟件，你不會(huì)一上來就盲目地刪除大段的代碼，并把其他部分打亂。這不僅很難解決原來的問題，甚至很可能會(huì)引入新的、更大的問題。除非你極為幸運(yùn)——這個(gè)概率只有數(shù)百萬分之一，甚至數(shù)十億分之一，你才可能恰好刪除掉錯(cuò)誤的代碼，而不損壞軟件的關(guān)鍵功能。事實(shí)上，金女士的基因組里發(fā)生的事情正是如此——區(qū)別在于，這個(gè)魯莽的程序員是大自然。

雖然金女士的例子聽起來像是天方夜譚，但令人興奮的是，這不是孤例。雖然她是目前唯一被報(bào)道的因?yàn)樽园l(fā)染色體粉碎和重排而自愈的患者，但是科學(xué)文獻(xiàn)中也不乏其他天然基因編輯的例子，患者們的遺傳病通過偶然的、自發(fā)的基因組“編輯”而出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，甚至完全被治愈。比如，在20世紀(jì)90年代，兩位紐約的患者被診斷患有“重癥復(fù)合免疫缺陷”（severe combined immunodeficiency, SCID），他們也被稱為“泡泡男孩”，因?yàn)樗麄儽仨毶钤跓o菌的塑料保護(hù)膜中，以避免接觸致病菌。如果得不到徹底隔離或者積極治療，重癥復(fù)合免疫缺陷患者往往在2歲之前死去。但是，紐約的這兩位重癥復(fù)合免疫缺陷患者卻是幸運(yùn)兒：他們健康地挺過了青少年階段，長到了成年。科學(xué)家找到了原因，他們的細(xì)胞都自動(dòng)糾正了致病的突變基因ADA，而且修復(fù)過程中沒有擾亂染色體上的其他基因。

類似的天然基因編輯也治愈過其他遺傳病，比如維奧二氏綜合征（Wiskott-Aldrich syndrome），患者中10%～20%的人會(huì)因?yàn)樽园l(fā)的基因更正而活下來；再比如一種肝部疾病——酪氨酸血癥。在某些皮膚病中，肉眼都可以分辨出那些發(fā)生過基因編輯的細(xì)胞，比如五彩魚鱗病。這個(gè)名字栩栩如生地描述了癥狀：患者的皮膚上出現(xiàn)紅色的魚鱗狀斑點(diǎn)。患病處內(nèi)部的細(xì)胞攜帶著遺傳突變，而周圍健康的細(xì)胞修復(fù)了這些突變。

不過，總體而言，遺傳病自愈的概率微乎其微。大多數(shù)患者永遠(yuǎn)不會(huì)經(jīng)歷這種染色體在正確的組織、正確的細(xì)胞里，以正確的方式進(jìn)行重排的奇跡。天然的基因編輯往往沒有規(guī)律——極少數(shù)幸運(yùn)兒成了有趣的醫(yī)學(xué)案例，但也僅此而已。

但是，如果基因編輯不是自發(fā)事件呢？如果醫(yī)生可以修復(fù)導(dǎo)致WHIM綜合征、重癥復(fù)合免疫缺陷、酪氨酸血癥及其他遺傳病的基因，那又會(huì)怎樣？

在包括我在內(nèi)的許多科學(xué)家看來，類似金女士這樣的案例之所以令人振奮，不僅僅因?yàn)樗沂玖颂烊换蚓庉嫷男迯?fù)潛力，而且因?yàn)樗鼮槲磥淼尼t(yī)學(xué)干預(yù)指明了一條可能的道路：我們可以主動(dòng)、合理地更正基因組中的突變基因，從而治療遺傳病。這些幸運(yùn)兒的故事證明了基因編輯是可行的，前提是科學(xué)家知道它們背后的遺傳學(xué)機(jī)制，并擁有必要的生物技術(shù)工具。

幾十年來，早在我進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域之前，生命科學(xué)領(lǐng)域的研究人員就在兢兢業(yè)業(yè)地探索這些遺傳學(xué)機(jī)制，并開發(fā)這些工具。事實(shí)上，早在科學(xué)家知道大自然提供了這些手段之前，他們就夢想著有朝一日可以通過基因編輯進(jìn)行臨床治療了。不過，為了實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)，研究人員需要理解基因組：它由什么構(gòu)成，以何種方式構(gòu)成，以及更重要的是，它可能被修飾或者改造成什么樣子。有了這些知識，科學(xué)家才能夠嘗試幫助更多無力自愈的遺傳病患者。

基因組（genome），指的是一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的全套遺傳指令——這個(gè)術(shù)語是由德國植物學(xué)家漢斯·溫克勒（Hans Winkler）在1920年提出來的，他很可能是用基因（gene）和染色體（chromosome）兩個(gè)詞組合而成的。在生物體內(nèi)，除了個(gè)別突變，絕大多數(shù)細(xì)胞的基因組都是一致的，基因組告訴生物體如何生長、如何維護(hù)自身、如何把基因傳給后代。魚的基因組指導(dǎo)它長出鰓和鰭，并讓它在水下呼吸、運(yùn)動(dòng)；樹的基因組則指導(dǎo)它長出葉片和葉綠體，從陽光中捕獲能量。我們內(nèi)在或外在的身體特征——視力、身高、膚色、對疾病的易感性等——都是由基因組編碼的信息決定的。

組成基因組的分子叫作脫氧核糖核酸，即DNA，它由四種核苷酸組成。這四種核苷酸往往也被簡寫為A、G、C、T，這代表了它們的堿基，分別是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。這些分子連接成串，兩串這樣的分子通過堿基配對形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

雙螺旋有點(diǎn)像一個(gè)螺旋上升的長梯子。兩條DNA的單鏈圍繞著中心軸彼此纏繞，磷酸與核糖組成了螺旋的骨架，它們一起形成了梯子的兩條側(cè)軌。四種堿基位于螺旋內(nèi)部，彼此相向，在內(nèi)部配對，它們組成了梯子的橫梁。這個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)美之處在于，把兩條單鏈維系在一起組成橫梁的是化學(xué)作用力，它有點(diǎn)像是分子膠水：堿基A永遠(yuǎn)與另一條鏈上的堿基T配對，而G永遠(yuǎn)與C配對。這種組合叫作堿基互補(bǔ)配對。

雙螺旋結(jié)構(gòu)美妙地揭示了遺傳學(xué)的分子基礎(chǔ)，它解釋了為什么看似簡單的DNA分子可以攜帶遺傳信息，通過細(xì)胞分裂從親本傳遞到子代，以及遺傳信息如何進(jìn)一步傳播到生物體的每一個(gè)細(xì)胞里。由于DNA分子由雙鏈組成，而且雙鏈的堿基遵守配對原則（A與T, G與C），每一條鏈都可以作為模板指導(dǎo)合成出互補(bǔ)鏈。在細(xì)胞復(fù)制之前，DNA雙鏈在一種解旋酶的作用下從中間打開，然后，其他的酶會(huì)以兩條單鏈為模板合成出兩條新的雙鏈，跟原來的雙鏈一模一樣。

在我認(rèn)識DNA雙螺旋的過程中，我也逐漸意識到，雖然最強(qiáng)大的光學(xué)顯微鏡也無法觀察到它們，但科學(xué)家仍有辦法洞察其分子結(jié)構(gòu)。大約在12歲時(shí)，有一天我放學(xué)回家，發(fā)現(xiàn)床上躺著一本舊書，是吉姆·沃森的《雙螺旋》（我父親偶爾會(huì)從舊書店里淘一些書回來，看看是否會(huì)激發(fā)我的興趣）。我以為這是本偵探小說（它的確是的！），所以過了幾周，等到一個(gè)下雨的周六我才開始閱讀。書里，沃森講述了他與弗朗西斯·克里克這段無比精彩的學(xué)術(shù)合作：利用羅莎琳德·富蘭克林收集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，他們終于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)簡單優(yōu)美的分子結(jié)構(gòu)。我第一次感到命運(yùn)會(huì)把我送到相似的路上，多年之后，在我終于開始自己的學(xué)術(shù)生涯的時(shí)候，我的第一個(gè)課題就是解析RNA（核糖核酸）分子的三維結(jié)構(gòu)——比起DNA、RNA的三維結(jié)構(gòu)要更加復(fù)雜。

在沃森和克里克發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)之后的幾年，科學(xué)家逐漸闡明了這種分子結(jié)構(gòu)和它相對簡單的化學(xué)組成如何編碼了信息，并以此來解釋生物世界里豐富多彩的現(xiàn)象。人們發(fā)現(xiàn)，DNA更像是一種秘密語言，每一段特定的堿基序列都為細(xì)胞里的一個(gè)特殊的蛋白質(zhì)提供了指令，然后蛋白質(zhì)去執(zhí)行體內(nèi)的各種重要的功能，比如分解食物、識別并破壞病原體、感光等。

要把DNA的指令轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)的組成信息，細(xì)胞需要一個(gè)關(guān)鍵的中間體分子，叫作核糖核酸，即信使RNA，它是由DNA模板通過一個(gè)叫作轉(zhuǎn)錄的過程而合成出來的。RNA里有三個(gè)字母跟DNA的相同（A、G、C），但是在RNA里，T（胸腺嘧啶）被U（尿嘧啶）替換了。此外，組成RNA骨架的是核糖，它比DNA中的脫氧核糖多了一個(gè)氧原子（因此DNA的全稱為脫氧核糖核酸，RNA的全稱為核糖核酸）。信使RNA把信息從細(xì)胞核（DNA儲藏在這里）運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)（蛋白質(zhì)在此合成）。細(xì)胞通過一個(gè)叫作翻譯的過程，利用信使RNA長鏈——上面包含了基因的序列——來合成出蛋白質(zhì)分子。每三個(gè)RNA字母連起來閱讀的時(shí)候，就意味著一個(gè)氨基酸，蛋白質(zhì)就是這樣由一個(gè)個(gè)的氨基酸組成的。基因與蛋白質(zhì)的區(qū)別在于，前者是核苷酸的序列，而后者是氨基酸的序列。遺傳信息的整體流動(dòng)——從DNA到RNA到蛋白質(zhì)——被稱為分子生物學(xué)的中心法則。

基因組的大小和它包含的基因數(shù)目，在不同種類的生命體中差別巨大。比如，大多數(shù)病毒只有數(shù)千個(gè)DNA（或者RNA）堿基序列，即只有幾個(gè)基因。相比之下，細(xì)菌的基因組里包含上百萬個(gè)堿基，大約4000個(gè)基因。果蠅的基因組里有大約幾億個(gè)堿基，包含了大約1.4萬個(gè)基因。人類的基因組里包含了約32億對堿基，有約2.1萬對蛋白質(zhì)編碼的基因。有趣的是，基因組的大小與生物體的復(fù)雜程度并不成正比，人類的基因組與小鼠或者青蛙的大致接近，但只有蠑螈的十分之一，尚不及某些植物的百分之一。

不同物種包裹基因組的方式也截然不同。大多數(shù)細(xì)菌的基因組都是一段單一連續(xù)的DNA片段；而人類的基因組卻由23個(gè)不同的片段組成，這些片斷叫作染色體，長度從5000萬到2.5億個(gè)堿基對不等。類似于大多數(shù)哺乳動(dòng)物，人類細(xì)胞里的染色體通常包含兩個(gè)拷貝，一個(gè)來自父親，一個(gè)來自母親。雙親各自貢獻(xiàn)了23條染色體，所以后代含有46條染色體（當(dāng)然也有例外，比如患有唐氏綜合征的個(gè)體具有第三條21號染色體）。在人體內(nèi)，絕大多數(shù)細(xì)胞都有一套完整的染色體（血紅細(xì)胞是個(gè)顯著的例外，因?yàn)樗鼈儧]有細(xì)胞核），但是在細(xì)胞核之外也有一些DNA。人體的基因組里也包括了一個(gè)獨(dú)立的微小染色體，只有1.6萬個(gè)堿基對，它位于線粒體內(nèi)。跟其他染色體上的遺傳信息不同，線粒體的DNA完全來自于母親。

在基因組內(nèi)，任何地方（包括23對染色體和線粒體的微小染色體）的突變都可能會(huì)引起遺傳病。最簡單的突變是替換，即一個(gè)核苷酸換成了另外一個(gè)核苷酸，這可能會(huì)擾亂基因，導(dǎo)致蛋白質(zhì)缺陷。比如，在鐮狀細(xì)胞病中，乙型球蛋白基因里的第17個(gè)字母由A變成了T，這就導(dǎo)致了本來的谷氨酸變成了纈氨酸，而且這個(gè)氨基酸剛好位于血紅蛋白結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，對于運(yùn)輸氧氣的功能來說非常重要。于是，蛋白質(zhì)的這個(gè)微小突變（在8000多個(gè)原子里有10個(gè)發(fā)生了變化），就帶來了非常嚴(yán)重的后果。突變的血紅蛋白分子粘在一起，形成異常纖維，這就會(huì)改變紅細(xì)胞的形狀，引起貧血，增加了中風(fēng)、感染和嚴(yán)重骨痛的風(fēng)險(xiǎn)。

鐮狀細(xì)胞病是隱性遺傳病的一個(gè)例子。所謂隱性遺傳病，是指只有當(dāng)個(gè)體攜帶著兩份突變的HBB基因的時(shí)候，他/她才會(huì)表現(xiàn)出癥狀；如果一個(gè)拷貝出現(xiàn)突變，另一個(gè)正常拷貝仍可以合成出足夠多的正常的血紅蛋白，突變基因的影響就不會(huì)顯現(xiàn)出來。當(dāng)然，這些個(gè)體仍然攜帶著一份突變的HBB基因，他們一樣可能把突變基因傳給后代。

另外一些遺傳病表現(xiàn)為顯性遺傳，這意味著一個(gè)拷貝的突變基因就足以致病。一個(gè)例子是WHIM綜合征，患者體內(nèi)的CXCR4基因里第1000個(gè)堿基從C突變成了T，突變基因合成出超級活躍的蛋白質(zhì)，正常基因的功能就被掩蓋了。

鐮狀細(xì)胞病和WHIM綜合征都是單個(gè)堿基替換突變引起的遺傳病，但是遺傳病也可能源于DNA插入或者缺失。比如，有一種叫作亨廷頓病的神經(jīng)退行性疾病，就是因?yàn)镠TT基因里同樣的3個(gè)堿基重復(fù)了太多次，引起了腦細(xì)胞合成出異常的蛋白質(zhì)。與此相反，囊性纖維化疾病是一種感染肺部的致命性遺傳病，它最常見的起因是DNA缺失。CFTR基因中缺失了3個(gè)堿基，導(dǎo)致蛋白質(zhì)中失去了一個(gè)重要的氨基酸，無法正常行使功能。還有一些遺傳病的起因是基因發(fā)生了反轉(zhuǎn)，某一段基因甚至整個(gè)染色體出現(xiàn)復(fù)制錯(cuò)誤或者完全丟失。

幸虧最近有了DNA測序技術(shù)，科學(xué)家才能閱讀并記錄人類的基因組，繼而查明許多疾病的病灶基因。自從20世紀(jì)70年代第一代測序方法出現(xiàn)以來，科學(xué)家前赴后繼地闡明了許多遺傳病的分子機(jī)制。伴隨著人類基因組計(jì)劃的完成，該領(lǐng)域也經(jīng)歷了跨越式的發(fā)展。自1990年以來，世界各地的科學(xué)家聯(lián)合起來，開始對人類的全基因組進(jìn)行測序。這項(xiàng)浩大的工程，加上新的技術(shù)進(jìn)步，使得科研人員可以在酵母里克隆大片段的人類DNA。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化水平升級與計(jì)算機(jī)算法的進(jìn)步，使得人們可以解析測序數(shù)據(jù)。2001年，在投入了巨大的精力，花費(fèi)了超過30億美元之后，科學(xué)家終于完成了人類基因組的草圖。

自從人類基因組計(jì)劃完成以來，基因測序變得越來越容易，也越來越便宜。科學(xué)家已經(jīng)精確鑒定出了4000多個(gè)會(huì)導(dǎo)致遺傳病的突變位點(diǎn)。基因測序可以揭示我們是否更容易患上某些癌癥，也可以幫助醫(yī)生根據(jù)病人的家族遺傳史進(jìn)行針對性的治療。此外，現(xiàn)在商業(yè)DNA測序分析也日益普遍，數(shù)以百萬計(jì)的人進(jìn)行了全基因組測序，你需要做的只是郵寄一份你的唾液樣品，再花上幾百美元就成了。于是，數(shù)據(jù)井噴了。這些數(shù)據(jù)幫助研究人員在上千個(gè)基因多樣性與某些身體和行為特征之間找到了顯著的關(guān)聯(lián)。

不過，雖然全基因組測序代表了遺傳病研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步，但它只是一種診斷工具，并不是治療手段。它可以幫助我們找出遺傳病的根源何在，但我們依然沒辦法改寫DNA。畢竟，閱讀跟寫作是兩回事。要實(shí)現(xiàn)改寫DNA的目的，科學(xué)家需要一套全新的工具。

一直以來，研究人員就夢想著，我們只要闡明了遺傳病的基因機(jī)制，就能改寫它。事實(shí)上，早在遺傳病的根源被揭示之前，就有人開始探索治療遺傳病的新方法——不僅僅是讓患者服用藥物來暫時(shí)緩解突變基因的負(fù)面影響，而是修復(fù)基因本身，以徹底扭轉(zhuǎn)疾病的進(jìn)程。舉一個(gè)常見的例子：鐮狀細(xì)胞病的治療方法包括經(jīng)常性輸血、使用羥基脲、進(jìn)行骨髓移植，如果我們可以從DNA突變的源頭進(jìn)行治療，豈非治本之策？

研究人員早就知道，治療遺傳病的最好方法是修復(fù)缺陷基因，主動(dòng)完成大自然在金女士等人身上完成的事情。不過，對于這些科學(xué)家來說，通過改寫突變的遺傳密碼來治療遺傳病似乎是無法完成的任務(wù)。修復(fù)一個(gè)缺陷基因無異于大海撈針，而且在取出針的過程中不能打亂任何一根海藻。但是他們也推測，另一個(gè)辦法是在缺陷細(xì)胞里添加一個(gè)完整的替代基因。問題在于，如何才能把這個(gè)珍貴的基因片段投遞進(jìn)基因組？

病毒有時(shí)會(huì)把自身的遺傳信息拼接到細(xì)菌基因組里——受此啟發(fā)，早期嘗試基因治療的研究人員使用病毒作為載體，把治療基因運(yùn)送到人體里。據(jù)報(bào)道，20世紀(jì)60年代，一位美國醫(yī)生斯坦菲爾德·羅杰斯（Stanfield Rogers）首次進(jìn)行了嘗試。他當(dāng)時(shí)在研究兔子里的致疣性病毒：肖普氏乳頭瘤病毒（Shope papillomavirus）。令他特別感興趣的是，該病毒會(huì)引起兔子過量分泌精氨酸酶，后者可以中和精氨酸。與正常兔子相比，患病的兔子身上精氨酸酶的含量更高，精氨酸水平更低。此外，羅杰斯發(fā)現(xiàn)，那些接觸過該病毒的研究人員血液中的精氨酸水平也更低。顯然，這些人從兔子身上感染了該病毒，而這些感染使得研究人員的身體發(fā)生了持久變化。

羅杰斯推測，可能是肖普氏乳頭瘤病毒把某個(gè)可以提高精氨酸酶水平的基因從兔子傳染到了人。他一邊驚嘆于病毒運(yùn)送基因的能力如此之大，一邊也開始考慮是否可以改造病毒來運(yùn)送其他基因。多年之后，羅杰斯回憶道：“顯然，在尋找致病原的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)了一種藥物！”

沒過很久，羅杰斯就找到了一種疾病來檢驗(yàn)他的理論。幾年之后，研究人員在兩位德國女孩身上發(fā)現(xiàn)了一種叫作高精氨酸血癥（hyperargininemia）的遺傳病，患者體內(nèi)的精氨酸含量也出現(xiàn)了異常——但是她們的水平不是過低，而是過高。病人體內(nèi)負(fù)責(zé)精氨酸轉(zhuǎn)化的基因——這也正是羅杰斯推測的病毒傳播的基因——可能缺失或者突變了。

高精氨酸血癥是一種很折磨人的疾病，患者會(huì)出現(xiàn)痙攣、癲癇，隨著病情越來越重，智力發(fā)育也嚴(yán)重遲緩。但是，在德國的這兩位小女孩身上，我們有機(jī)會(huì)進(jìn)行早期干預(yù)，從而避免了狀況惡化。羅杰斯和德國的合作伙伴向兩位女孩的血液里注射了高劑量、純化過的肖普氏乳頭瘤病毒。

不幸的是，羅杰斯的基因治療實(shí)驗(yàn)失敗了，這讓所有人都大為失望，不僅僅是他自己，患者和患者的家庭更是如此。這次注射對兩個(gè)小女孩沒起到什么作用，而羅杰斯也因?yàn)槿绱唆斆А⒉怀墒斓呐e動(dòng)而被同行批評。隨后的研究人員證實(shí)，與羅杰斯的理論相反，肖普氏乳頭瘤病毒的基因組里并沒有精氨酸酶基因，所以它根本無法達(dá)成期望的治療效果。

雖然羅杰斯再也沒有嘗試過基因治療，但他使用病毒作為載體運(yùn)送基因的策略，徹底改變了生物學(xué)研究。這個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗了，但是它的基本假設(shè)是成立的。目前，病毒載體仍然是向活體生物的基因組里插入基因的最有效方式。

病毒之所以適合做載體，是因?yàn)樗哂邢率鰩讉€(gè)特征。首先，病毒演化出了極為有效的方式，可以滲透進(jìn)一切類型的細(xì)胞。無論是哪個(gè)種類的生物——細(xì)菌、植物、動(dòng)物等——都必須對抗寄生性病毒，因?yàn)楹笳叩奈ㄒ荒康木褪墙俪旨?xì)胞，把它們的DNA插入宿主，并借助宿主細(xì)胞完成自身的復(fù)制。在億萬年的演化過程中，病毒幾乎“摸清了”細(xì)胞防御系統(tǒng)的每一個(gè)弱點(diǎn)，它們向宿主中安插基因的策略近乎完美。作為工具，病毒載體極為可靠，研究人員使用病毒載體向目的細(xì)胞中投遞基因的成功率接近100%。對于這個(gè)領(lǐng)域的工作者來說，病毒載體是終極特洛伊木馬。

病毒不僅知道如何把自己的DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞，而且知道如何把它們?nèi)谌胨拗鞯幕蚪M。二十世紀(jì)二三十年代，科學(xué)家開始利用細(xì)菌進(jìn)行遺傳學(xué)研究。當(dāng)時(shí)，令科學(xué)家感到困惑的是，細(xì)菌的病毒（噬菌體）看起來好像是憑空出現(xiàn)，引起了感染。后續(xù)研究表明，這些病毒實(shí)際上把它們的基因組打碎成幾個(gè)片段，插入基因組，并潛伏在那里，無聲無息，直到條件合適才引起感染。逆轉(zhuǎn)錄病毒（許多病毒都屬于這種類別，包括艾滋病病毒）在人體里也會(huì)做同樣的事情，它們把自身的遺傳信息打碎，安插進(jìn)細(xì)胞的基因組里。由于這個(gè)特點(diǎn)，逆轉(zhuǎn)錄病毒很難被根除，結(jié)果，它們在我們的基因組里留下了不可磨滅的印記。人類基因組里有8%——超過2.5億個(gè)DNA堿基——是古老的逆轉(zhuǎn)錄病毒感染人類祖先所留下的“遺跡”。

自從20世紀(jì)60年代人們首次嘗試基因治療以來，這個(gè)領(lǐng)域迅速騰飛，這也得益于一系列生物技術(shù)革命，包括重組DNA技術(shù)（重組DNA泛指一切實(shí)驗(yàn)室里制造的，而不是大自然里出現(xiàn)的遺傳物質(zhì)）。通過新的生物技術(shù)和新的生物化學(xué)方法，科學(xué)家在20世紀(jì)70年代開始開辟新的途徑，剪切DNA片段，復(fù)制DNA片段，讓其進(jìn)入基因組，或者分離出特定的基因序列。他們開始把治療性基因引入病毒，同時(shí)移除有害的基因，使病毒不會(huì)破壞受感染的細(xì)胞。實(shí)際上，科學(xué)家已經(jīng)把這些病毒改造成了無害的“運(yùn)載火箭”，把特定的遺傳物質(zhì)運(yùn)輸?shù)街付ㄎ稽c(diǎn)。

到了20世紀(jì)80年代末，研究人員利用改造的逆轉(zhuǎn)錄病毒成功地在實(shí)驗(yàn)室小鼠里引入了重組DNA，于是，用于臨床的基因治療競賽開始了。當(dāng)時(shí)，我正在哈佛大學(xué)進(jìn)行生物化學(xué)方面的博士研究，我還記得跟實(shí)驗(yàn)室的伙伴討論一則新聞：國立衛(wèi)生研究院的威廉·弗倫奇·安德森（William French Anderson）和同事第一個(gè)達(dá)成了目標(biāo)。他們開發(fā)出了一種載體，搭載了一份健康的腺苷脫氨酶基因（adenosine deaminase，ADA），在重癥復(fù)合免疫缺陷患者身上，正是該基因發(fā)生了突變而失去了功能。他們的目的，是使用基因治療把健康的ADA基因永久性地嵌入患者的血細(xì)胞，彌補(bǔ)缺失的蛋白質(zhì)，從而治愈疾病。不幸的是，早期臨床試驗(yàn)結(jié)果不盡人意：改造后的病毒，安全性固然通過了考驗(yàn)，但是治療效果微乎其微。具體來說，兩位患者接受治療后，免疫細(xì)胞的數(shù)量有所上升，但是這很可能是同時(shí)進(jìn)行的其他治療措施的結(jié)果。更重要的是，患者體內(nèi)似乎只有極少數(shù)細(xì)胞接受了健康的ADA基因，病毒進(jìn)行基因拼接的效率并不像科學(xué)家期望的那么高。

雖然30年前早期的試驗(yàn)沒有得出明確結(jié)果，但是基因治療領(lǐng)域還是取得了長足的進(jìn)步。病毒載體的設(shè)計(jì)與投遞方法都得到了改進(jìn)，這使得ADA基因治療的結(jié)果更加振奮人心，以至于FDA（美國食品藥品監(jiān)督管理局）很快就批準(zhǔn)一套叫作Strimvelis的治療方案上市。此外，截止到2016年，已經(jīng)有2000多個(gè)基因治療的臨床試驗(yàn)已經(jīng)完成或者即將開始，它們針對的疾病癥狀也大幅拓展，包括單基因遺傳病，比如囊性纖維化、血友病、某些形式的失明，以及日漸增多的心血管與神經(jīng)疾病。與此同時(shí)，癌癥免疫治療方興未艾，其中用到的免疫細(xì)胞可裝載專門針對腫瘤的基因，這再次說明，基因治療在生物醫(yī)藥領(lǐng)域仍然大有可為。

不過，盡管有些宣傳天花亂墜，但是基因治療并沒有成為靈丹妙藥。事實(shí)上，有時(shí)它弊大于利。1999年，在接受了高劑量的病毒載體注射之后，一位患者因劇烈的免疫反應(yīng)而死亡，這讓該領(lǐng)域一度陷入停滯。那時(shí)，我剛開始在耶魯大學(xué)執(zhí)教，正在研究病毒的RNA分子如何劫持了宿主細(xì)胞的核糖體。雖然我的研究領(lǐng)域跟基因治療相去甚遠(yuǎn)，但這種悲劇性的新聞也更堅(jiān)定了我更深入地理解病毒與細(xì)胞的決心。

21世紀(jì)初，5位重癥復(fù)合免疫缺陷患者接受基因治療之后都出現(xiàn)了白血病——這是一種骨髓癌癥，它的起因在于逆轉(zhuǎn)錄病毒激活了原癌基因，使得細(xì)胞不受控制地增殖。這次事件再次表明，向患者體內(nèi)注射大量外源物質(zhì)并向基因組隨機(jī)插入上千個(gè)堿基，風(fēng)險(xiǎn)多多。我當(dāng)時(shí)就在想，這類臨床研究的理論依據(jù)固然激動(dòng)人心，但實(shí)際操作似乎太過冒險(xiǎn)。

此外，還有許多類型的遺傳病，其病因并不是基因缺失——對于這些疾病，單純地引入新基因并不會(huì)奏效。以亨廷頓疾病為例，突變基因產(chǎn)生的異常蛋白完全遮蔽了健康基因。既然突變基因占據(jù)了主導(dǎo)地位，簡單的基因治療——通過病毒載體引入一份正常的基因拷貝——對亨廷頓或者其他類似的疾病就沒有效果。

對于這些難治型的遺傳病，醫(yī)生們需要做的是修復(fù)缺陷基因，而不僅僅是替換掉它們。如果他們可以修復(fù)導(dǎo)致疾病的缺陷基因，也就可以治療顯性與隱性基因疾病，而不必?fù)?dān)心基因拼接出錯(cuò)的后果。

我從開始職業(yè)生涯以來，就一直被這種可能性深深吸引。在20世紀(jì)90年代初，從哈佛博士畢業(yè)之后，我前往科羅拉多大學(xué)博爾德分校進(jìn)行博士后研究。那個(gè)時(shí)候，我跟實(shí)驗(yàn)室的伙伴布魯斯·薩倫格（Bruce Sullenger）經(jīng)常就各種議題進(jìn)行辯論——比如1992年的總統(tǒng)大選，我支持保羅·叢格思（Paul Tsongas），他支持比爾·克林頓，對基因治療的策略，我們也有不同的看法。當(dāng)時(shí)我們經(jīng)常聊到一個(gè)想法，也許RNA分子可以用來編輯并修復(fù)突變。事實(shí)上，這正是布魯斯自己的研究課題。不過，我們也討論過其他可能性，比如編輯這些缺陷RNA的源頭——即基因組里的DNA。我們都認(rèn)為，如果可能，這會(huì)是劃時(shí)代的突破。問題在于，這是不是異想天開呢？

20世紀(jì)80年代，一些研究人員在繼續(xù)優(yōu)化基于病毒的基因治療策略，與此同時(shí)，另一些人開始嘗試使用實(shí)驗(yàn)室合成的重組DNA來轉(zhuǎn)化哺乳動(dòng)物細(xì)胞，這套辦法顯然更簡單。一開始，這些方法主要用于基礎(chǔ)研究，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家也開始探索它們臨床應(yīng)用的潛力。

比起更復(fù)雜的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，這個(gè)方法有幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢。首先，它們更快，因?yàn)椴槐匕鸦虬M(jìn)病毒，科學(xué)家可以直接把重組DNA引入細(xì)胞，或者讓細(xì)胞自動(dòng)吸收DNA與磷酸鈣的混合溶液。其次，它不必借助病毒把外源基因拼接到細(xì)胞的基因組，細(xì)胞本身就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，雖然效率略低。

這類技術(shù)的首選實(shí)驗(yàn)對象往往是小鼠。科學(xué)家不無驚訝地發(fā)現(xiàn)，這種新方法對小鼠非常有效。研究人員向小鼠的受精卵里注射了新的DNA，然后將其植入雌性小鼠體內(nèi)，他們發(fā)現(xiàn)，這足以把外源DNA永久地引入基因組，并導(dǎo)致后代發(fā)生顯著的變化。這些進(jìn)展意味著，我們可以在實(shí)驗(yàn)室里分離、克隆基因，并探究其功能。雖然我當(dāng)時(shí)還在研究RNA分子的結(jié)構(gòu)和功能，但我對這樣研究的巨大價(jià)值也有所耳聞。

問題在于，這些DNA到底是如何進(jìn)入基因組的？在20世紀(jì)80年代初，猶他大學(xué)的一位教授，馬里奧·卡佩奇（Mario Capecchi）就開始試圖解答這個(gè)問題。當(dāng)時(shí)，他注意到一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)基因的許多拷貝進(jìn)入基因組的時(shí)候，它們嵌入的模式并不是隨機(jī)的。事實(shí)上，這些拷貝并沒有隨機(jī)分散到基因組的各個(gè)角落，卡佩奇發(fā)現(xiàn)，這些基因總是聚集在一個(gè)或幾個(gè)位置，許多拷貝彼此重疊，好像是被特意安排在一起的。

在此之前，卡佩奇曾觀察到同源重組參與了這個(gè)過程——雖然人們對同源重組有一定的了解，但是沒人想到在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里會(huì)再次發(fā)現(xiàn)它。關(guān)于同源重組的最著名的例子，可能是精卵細(xì)胞的形成過程：來自父母的兩套染色體，經(jīng)過減數(shù)分裂，數(shù)量減半，等到精卵結(jié)合的時(shí)候數(shù)目又恢復(fù)正常。在減數(shù)分裂的過程中，細(xì)胞會(huì)從雙親的染色體中選擇性地繼承一定比例的片段；每一對染色體會(huì)進(jìn)行同源交換，從而增加了遺傳多樣性。這個(gè)過程涉及數(shù)百萬個(gè)堿基對，還要進(jìn)行無比復(fù)雜的混合、配對、重組，但細(xì)胞卻執(zhí)行得有條不紊。事實(shí)上，這個(gè)過程在所有的生物種類中都會(huì)發(fā)生，比如，細(xì)菌會(huì)通過同源重組交換遺傳信息，多年來生物學(xué)家就是利用同源重組在酵母中進(jìn)行遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的。

但是卡佩奇發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞也能進(jìn)行同源重組——這一點(diǎn)至關(guān)重要。他在1982年的論文末尾提到：“如果我們能夠通過同源重組來‘靶向鎖定’染色體上的特定基因，那會(huì)很有意思。”換言之，科學(xué)家可以通過同源重組把基因精確引入基因組內(nèi)的特定位置——比起利用病毒進(jìn)行隨機(jī)插入，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。更妙的是，科學(xué)家甚至可以在突變位點(diǎn)插入正常基因，修正缺陷。

在卡佩奇的研究發(fā)表3年之后，奧利弗·史密斯（Oliver Smithies）和同事做到了這一點(diǎn)。他們利用實(shí)驗(yàn)室合成的重組DNA，替換掉了人類膀胱癌細(xì)胞中原有的乙型球蛋白基因。沒有使用任何花哨的技巧——他們只是把DNA跟磷酸鈣混合，再灑到細(xì)胞上。顯然，其中一些細(xì)胞吸收了外源DNA，把重組DNA與基因組DNA上對應(yīng)的區(qū)域配對，通過一些分子水平的“雜技”實(shí)現(xiàn)了同源交換。

看起來，要修飾基因組，細(xì)胞自己就可以完成其中最困難的工作。這意味著，科學(xué)家可以通過更溫和的手段運(yùn)送基因，而不必使用病毒把DNA“硬塞”進(jìn)基因組。科學(xué)家可以“誘使”細(xì)胞“認(rèn)為”重組DNA只是一段與它自身基因組配對的額外的染色體，從而確保新DNA通過同源重組與本來的基因組融合在一起。

科學(xué)家把這種新的基因操作的方法叫作基因打靶，今天，我們叫它基因編輯。

這種技術(shù)在遺傳學(xué)研究中的潛力非常吸引人，但是史密斯知道，同源重組也可以用于治療。如果科學(xué)家對鐮狀細(xì)胞病患者的血液干細(xì)胞進(jìn)行類似的基因打靶，就可以把突變的乙型球蛋白基因替換成正常基因。這意味著，他發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方法，某一天可能會(huì)用于臨床治療。

其他實(shí)驗(yàn)室馬上跟進(jìn)，迅速優(yōu)化該技術(shù)，這其中也包括卡佩奇的實(shí)驗(yàn)室。1986年，當(dāng)我博士二年級的時(shí)候，他的實(shí)驗(yàn)表明，同源重組的精確度非常之高，甚至可以修復(fù)基因組里的單個(gè)堿基突變，更正細(xì)胞中變異的酶。兩年之后，他提出了一種適用范圍更廣的策略，可以靶向針對基因組中任何基因（只要我們知道它的序列）。他也提出，同源重組不僅可以用于修復(fù)基因，也可以進(jìn)行基因敲除，以便研究其功能。

20世紀(jì)80年代末，在我讀完博士的時(shí)候，基因打靶已經(jīng)廣泛用于編輯組織培養(yǎng)的細(xì)胞和活體小鼠的DNA。馬丁·埃文斯（Martin Evans）實(shí)驗(yàn)室的工作表明，在小鼠的胚胎干細(xì)胞中進(jìn)行基因打靶，然后把編輯過的干細(xì)胞注射回小鼠胚胎，科學(xué)家可以獲得“定制”小鼠。因?yàn)榭ㄅ迤妗⑹访芩挂约鞍Ｎ乃沟耐黄菩怨ぷ鳎麄儤s膺2007年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

雖然基因編輯的臨床應(yīng)用潛力巨大，但在早期，它最吸引人的地方是其對基礎(chǔ)研究的價(jià)值。對于研究哺乳動(dòng)物遺傳學(xué)的科學(xué)家來說，要研究基因的功能，基因打靶是劃時(shí)代的突破。但是，醫(yī)學(xué)研究人員對于在人類身上使用這項(xiàng)技術(shù)卻有些忐忑，這是因?yàn)椋淹粗亟M技術(shù)用于臨床治療，還有許多困難需要克服。

它最大的一個(gè)缺陷是所謂的非同源重組的問題，也叫“異常重組”（illegitimate recombination）。在這種情況下，新的DNA不是準(zhǔn)確地進(jìn)入配對序列，而是隨機(jī)嵌入基因組。事實(shí)上，異常重組與同源重組的比例大約是100：1。顯然，如果基因編輯的成功率只有1%，而錯(cuò)配率高達(dá)99%，臨床應(yīng)用是行不通的。科學(xué)家還在尋找更好的解決方案，來避免細(xì)胞培養(yǎng)中的問題，他們也沒有放棄未來應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的希望。卡佩奇在20世紀(jì)90年代初曾說：“要在人類中進(jìn)行基因治療，同源重組是必經(jīng)之路。”但是，起碼就目前而言，基因編輯還不夠完善，無法用于人類。

20世紀(jì)80年代初，當(dāng)許多科學(xué)家在思考如何把基因打靶用于人類細(xì)胞的時(shí)候，杰克·紹斯塔克（Jack Szostak）卻在關(guān)注酵母細(xì)胞分裂的過程。他當(dāng)時(shí)是哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的教授，也是我博士研究課題的指導(dǎo)老師。紹斯塔克思考的是一個(gè)基礎(chǔ)問題：基因打靶和同源重組何以可能？具體來說，他試圖理解的是一條染色體上的DNA雙鏈如何與另一條染色體上的雙鏈結(jié)合，通過何種中間階段交換信息，然后重新分開，在細(xì)胞分裂之后再次形成單個(gè)染色體。

1983年，當(dāng)我還在美國西海岸的波莫納（Pomona）學(xué)院讀本科的時(shí)候，紹斯塔克認(rèn)為他找到了答案。依據(jù)酵母遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，他和博士生特里·奧爾韋弗（Terry OrrWeaver），以及兩位教授——羅德尼·羅森斯坦（Rodney Rothstein）、弗蘭克·斯塔爾（Frank Stahl）——發(fā)表了一個(gè)大膽的模型。其中的誘發(fā)因素——即促使同源重組開始的信號——是兩條染色體分離導(dǎo)致的DNA雙鏈斷裂。在這個(gè)模型中，斷裂的雙鏈與DNA的自由端尤其容易發(fā)生融合，它兩側(cè)的序列更容易與配對的染色體交換遺傳信息（在基因編輯的例子里，它們與研究人員提供的外源DNA進(jìn)行配對，發(fā)生交換）。

等我1986年加入紹斯塔克實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，他的研究焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向RNA分子在生命早期演化中的作用了。但是在實(shí)驗(yàn)室里，我們一群人仍然在討論雙鏈斷裂模型和它的優(yōu)美之處，以及科學(xué)同人對它的懷疑。然而，隨著時(shí)間推移，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型跟許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。雙鏈斷裂修復(fù)不僅參與了精卵細(xì)胞形成時(shí)的同源重組，也參與了DNA受損之后的修復(fù)過程。事實(shí)上，所有細(xì)胞的DNA都可能遭到破壞，比如接觸到X射線或者致癌物的時(shí)候，但細(xì)胞能夠高效地修復(fù)這些斷裂，而不丟失遺傳信息。根據(jù)紹斯塔克提出的模型，修復(fù)的過程取決于染色體通過同源重組進(jìn)行匹配的能力，這可能是兩條染色體所具備的演化優(yōu)勢：單一染色體受到的任何破壞，都可以通過第二條染色體來進(jìn)行修復(fù)。

如果雙鏈斷裂模型是正確的，而且酵母研究得出的結(jié)論同樣適用于哺乳動(dòng)物，那么我們就有機(jī)會(huì)提高基因編輯的效率：我們可以在基因編輯的目標(biāo)位點(diǎn)把基因組打斷。如果你想使用一個(gè)正常基因替換一個(gè)缺陷基因，你首先要做的是設(shè)法在缺陷基因處“切斷”染色體，引入局部的雙鏈斷裂，與此同時(shí)提供一個(gè)正常的基因拷貝。細(xì)胞一旦發(fā)現(xiàn)雙鏈斷裂，就會(huì)試圖尋找一個(gè)配對的染色體修復(fù)斷裂——這時(shí)，它有可能就會(huì)找到我們提供的基因。本質(zhì)上，我們“欺騙”了細(xì)胞，讓它“認(rèn)為”DNA受到了破壞，同時(shí)，我們提供了第二份DNA，將它“偽裝”成第二份染色體，細(xì)胞就利用它來修復(fù)斷點(diǎn)。

1994年，紐約斯隆-凱特琳癌癥中心的瑪利亞·賈辛（Maria Jasin）實(shí)驗(yàn)室在哺乳動(dòng)物細(xì)胞里最早嘗試了這個(gè)策略。當(dāng)時(shí)，我已經(jīng)結(jié)束了在科羅拉多的博士后研究，剛來到離這兒不遠(yuǎn)的耶魯大學(xué)，熱切地關(guān)注著這方面的進(jìn)展。這項(xiàng)突破性工作令我倍感振奮，首先，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是基于我的博士導(dǎo)師的雙鏈斷裂模型；其次，賈辛和我都是女性科學(xué)家，對核酸分子都有濃厚的興趣。

賈辛的基因編輯實(shí)驗(yàn)別出心裁。她的策略是向小鼠細(xì)胞里引入一個(gè)可以把基因組切開的酶，從而制造出雙鏈斷裂；與此同時(shí)，她也引入了一段合成的DNA，作為修復(fù)模板，與切斷的DNA序列匹配。然后，她檢查了小鼠細(xì)胞是否修復(fù)了DNA斷裂。通過對照實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)組添加切斷DNA的酶，對照組則不添加），她就可以檢驗(yàn)下述假說：人為引入的雙鏈斷裂提高了同源重組的效率。

這里的挑戰(zhàn)在于找到一個(gè)可用的酶，把基因組從一個(gè)特定的位點(diǎn)切開。為了解決這個(gè)問題，賈辛巧妙地從酵母里借用了一個(gè)分子機(jī)器：I型SceI核酸內(nèi)切酶。

核酸酶是一類可以切開核酸的酶，有些會(huì)切開RNA，有些會(huì)切開DNA。核酸內(nèi)切酶會(huì)從核酸的內(nèi)部切開雙鏈，而核酸外切酶則從核酸的末端切除堿基。有些內(nèi)切酶對細(xì)胞有毒，因?yàn)樗鼈冊贒NA的任何位置都可以切割，跟堿基序列無關(guān)；另一些內(nèi)切酶則高度特異，只在特定的序列切開雙鏈；此外，還有一些內(nèi)切酶的特異性介于二者之間。

賈辛選擇的I型SceI內(nèi)切酶是當(dāng)時(shí)所知的特異性最高的內(nèi)切酶之一，它需要準(zhǔn)確識別18個(gè)連續(xù)的DNA堿基之后才進(jìn)行剪切。選擇一個(gè)高度特異的內(nèi)切酶至關(guān)重要——如果賈辛選擇的酶專一性沒那么高，在基因組里到處剪切，這不僅會(huì)令結(jié)果難以解釋，更可能傷害宿主細(xì)胞。不過，I型SceI的特異性如此之高，它的切割位點(diǎn)出現(xiàn)的頻率只有1/（418），即，在680億個(gè)堿基里才出現(xiàn)一次。說來好笑，小鼠的基因組里甚至沒有這樣的序列，所以在開始嘗試基因編輯的實(shí)驗(yàn)之前，賈辛首先在基因組里引入了這樣一個(gè)位點(diǎn)，以便I型SceI內(nèi)切酶進(jìn)行切割。

賈辛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常驚人。通過同源重組，她在10%的細(xì)胞中準(zhǔn)確修復(fù)了突變基因。回頭看來，這個(gè)比例好像沒什么了不起，但是這比之前的實(shí)驗(yàn)成功率提高了近百倍。這是當(dāng)時(shí)最富希望的證據(jù)，表明了科學(xué)家可以通過同源重組重新編寫基因組，而不必?fù)?dān)心逆轉(zhuǎn)錄病毒載體引起的非同源重組或者隨機(jī)插入——我們只要在準(zhǔn)確的位置引入雙鏈斷裂，細(xì)胞會(huì)完成余下的工作。

但一個(gè)關(guān)鍵的問題是：要用上這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家必須得在特定的位點(diǎn)切開基因組。在賈辛的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，I型SceI內(nèi)切酶識別的序列是事先人為引入的，但是，與疾病相關(guān)的基因序列卻無從改變，我們不可能為了使用某些罕見的內(nèi)切酶而特地修改基因序列，而且，一旦基因組被切開，它會(huì)非常有效地修復(fù)自身——問題在于如何在正確的位置引入雙鏈斷裂。

從20世紀(jì)90年代中期開始，當(dāng)我投身于研究RNA的分子結(jié)構(gòu)以及生化特征的時(shí)候，研究人員爭先恐后地開始設(shè)計(jì)新的類似I型SceI內(nèi)切酶的系統(tǒng)，以精確地作用于特定DNA序列。只要能夠解決這個(gè)問題，我們就可以充分釋放基因編輯的潛力。

新一代的基因編輯系統(tǒng)包含了三項(xiàng)關(guān)鍵要素：一是它必須能夠特異性地識別一段對我們而言有價(jià)值的DNA序列；二是它必須能夠切開DNA序列；三是它必須易于重新編輯，以便針對不同的DNA序列進(jìn)行剪切。前兩項(xiàng)特征使它可以產(chǎn)生一個(gè)雙鏈斷裂，第三項(xiàng)特征則能擴(kuò)大其適用范圍。I型SceI內(nèi)切酶在前兩項(xiàng)特征上特別優(yōu)秀，但是第三項(xiàng)特征卻非常糟糕。要構(gòu)建一個(gè)可以編輯的DNA剪切系統(tǒng)，生物工程人員有兩個(gè)選擇：要么重新改造I型SceI內(nèi)切酶，使其可以切開新的DNA序列，要么尋找天然存在的新型核酸酶。

可惜，科學(xué)家改造I型SceI內(nèi)切酶的努力失敗了（考慮到蛋白質(zhì)分子的復(fù)雜性，這并不意外）。很快人們就意識到，尋找新的核酸酶是更有潛力的方向。事實(shí)上，在賈辛使用I型SceI內(nèi)切酶的時(shí)候，科學(xué)家已經(jīng)從許多生物體中分離出了更多的核酸酶，而且鑒定出了它們針對的DNA序列。但是，這里有一個(gè)根本的問題：大多數(shù)核酸酶識別的堿基序列只有6個(gè)或8個(gè)——這太短了，完全不適于基因編輯。這些序列在人類基因組里出現(xiàn)了上萬次甚至數(shù)十萬次，這意味著，這個(gè)酶會(huì)把整個(gè)基因組切成許多段，細(xì)胞恐怕還來不及修復(fù)DNA就死去了。

研究人員無法依賴之前發(fā)現(xiàn)的核酸酶，但是每次進(jìn)行基因編輯之前都尋找類似I型SceI的內(nèi)切酶也不現(xiàn)實(shí)。如果要在臨床上針對致病基因進(jìn)行基因編輯，醫(yī)生不可能等待科學(xué)家再發(fā)現(xiàn)一個(gè)剛好可以針對患者身上突變基因的酶。科學(xué)家需要立即找到一個(gè)可以針對該基因的內(nèi)切酶，或者有辦法根據(jù)需求很快合成出來。

事實(shí)上，早在1996年，有人已經(jīng)開始嘗試用新的策略來解決這個(gè)問題。約翰·霍普金斯大學(xué)的教授斯里尼瓦桑·赫曼德拉斯格恩（Srinivasan Chandrasegaran）意識到，除了從頭開始構(gòu)建核酸酶或者在自然界尋找新型內(nèi)切酶，還有第三種折中的辦法：重新改造天然存在的內(nèi)切酶，使得它們滿足進(jìn)行基因編輯的前兩項(xiàng)要求：識別特定的位點(diǎn)，并進(jìn)行剪切。

具體來說，赫曼德拉斯格恩采取的策略是從兩類天然存在的蛋白質(zhì)中拼接出一個(gè)雜合體內(nèi)切酶，這兩類蛋白質(zhì)一個(gè)擅長DNA識別，一個(gè)擅長DNA剪切。要實(shí)現(xiàn)DNA剪切，赫曼德拉斯格恩選擇了一種叫作FokI的細(xì)菌核酸酶作為模塊，它可以切開DNA，但沒有序列偏好；要實(shí)現(xiàn)DNA識別，他借助了另一類廣泛存在的天然蛋白質(zhì)，叫作鋅指核酸酶。所謂鋅指，指的是它依賴于鋅離子與DNA結(jié)合，像兩根手指那樣夾住DNA。由于這些鋅指核酸酶由多個(gè)重復(fù)單元組合而成，每個(gè)單元識別特定的三個(gè)DNA序列，看起來，科學(xué)家有可能通過重新設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)使它識別其他DNA序列。

令人振奮的是，赫曼德拉斯格恩的雜合內(nèi)切酶似乎可行。他的團(tuán)隊(duì)融合了FokI的剪切模塊和鋅指核酸酶中的DNA識別模塊，并進(jìn)一步表明，這個(gè)重新設(shè)計(jì)的核酸酶可以精確識別并切割目標(biāo)DNA，雖然這兩類蛋白質(zhì)的來源完全不同。

很快，赫曼德拉斯格恩就與猶他大學(xué)的達(dá)娜·卡羅爾（Dana Carroll）教授合作，開始把這些新的鋅指核酸酶（zinc finger nucleases，簡稱ZFNs）用于實(shí)驗(yàn)。他們的工作表明，鋅指核酸酶可以在青蛙的受精卵（這是生物學(xué)家常用的模式生物之一）中工作，而且鋅指核酸酶引起的DNA切割激發(fā)了同源重組。緊接著，卡羅爾改造了一個(gè)新的鋅指核酸酶，針對的是果蠅體內(nèi)與色素有關(guān)的基因YELLOW，他們的實(shí)驗(yàn)再次在成體中進(jìn)行了精確的基因改造。對基因編輯而言，這是一個(gè)影響深遠(yuǎn)的進(jìn)展。鋅指核酸酶不僅可以用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，更重要的是，它們可以經(jīng)過重新設(shè)計(jì)來剪切新基因。

更多的研究人員加入了進(jìn)來，他們開始針對自己的研究方向設(shè)計(jì)鋅指核酸酶，在新的模式生物中剪切新的基因。2003年，馬修·波特斯（Matthew Porteus）和大衛(wèi)·巴爾的摩（David Baltimore）首次在人類細(xì)胞中利用定制的鋅指核酸酶進(jìn)行了基因編輯；緊接著，費(fèi)奧多爾·烏爾諾夫（Fyodor Urnov）和同事在人類細(xì)胞中更正了導(dǎo)致重癥復(fù)合免疫缺陷的基因突變。從此，利用基因編輯技術(shù)來治療遺傳病變得觸手可及。

與此同時(shí)，通過鋅指核酸酶進(jìn)行的基因編輯也被用于其他場合，比如精準(zhǔn)改造農(nóng)作物或者模式動(dòng)物。到了21世紀(jì)初，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于擬南芥、煙草、玉米，證實(shí)了DNA雙鏈斷裂可以在多種細(xì)胞類型中（不僅僅是哺乳動(dòng)物）促進(jìn)高效的同源重組。與此同時(shí)，一些論文也陸續(xù)報(bào)道了鋅指核酸酶可以在斑馬魚、昆蟲、小鼠中進(jìn)行基因編輯。這些工作引人入勝，富有應(yīng)用前景，在參加許多學(xué)術(shù)會(huì)議期間，我也為之吸引。

不過，雖然潛力巨大，但是鋅指核酸酶的使用局限于少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室。使用鋅指核酸酶，需要研究人員有豐富的蛋白編輯經(jīng)驗(yàn)，或者有機(jī)會(huì)跟有這些經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室合作，或者有足夠的經(jīng)費(fèi)可以支付定制核酸酶的高昂費(fèi)用。從理論上來說，設(shè)計(jì)鋅指核酸酶不難——只要把不同鋅指核酸酶的片段以特定的方式組合起來，識別感興趣的DNA序列即可。但是在實(shí)際操作中，它非常困難。很大比例的鋅指核酸酶無法識別目標(biāo)DNA；另外有一些專一性太低，到處切割，導(dǎo)致細(xì)胞死亡；還有一些鋅指核酸酶模塊可以識別DNA，但是無法完成剪切。

除了改造蛋白質(zhì)的重重困難，鋅指核酸酶的靈活性也有限，難于推廣使用。毋庸置疑，鋅指核酸酶的結(jié)果表明，如果要進(jìn)行基因編輯，定制核酸酶是必由之路，但是這個(gè)領(lǐng)域仍然期待著一種更可靠、更便捷的技術(shù)。

2009年，第一代基因編輯技術(shù)出現(xiàn)了，它依靠的是從黃單胞桿菌里發(fā)現(xiàn)的一種新型蛋白質(zhì)，叫作類轉(zhuǎn)錄活化因子（TALEs）。這些蛋白質(zhì)與鋅指核酸酶的構(gòu)造非常類似：它們都是由多個(gè)重復(fù)片段組成，每個(gè)片段識別特定的DNA序列。區(qū)別在于：每個(gè)鋅指核酸酶的手指識別三個(gè)DNA堿基，而每個(gè)類轉(zhuǎn)錄活化因子的片段可以識別單個(gè)DNA堿基。這使得科學(xué)家很容易推斷出哪個(gè)片段識別哪個(gè)DNA堿基，于是他們可以重新編輯，來識別更長的DNA序列。在鋅指核酸酶中，這項(xiàng)工作聽起來簡單，實(shí)際上頗為困難，但在類轉(zhuǎn)錄活化因子中，它的確很簡單。

研究人員轉(zhuǎn)而探索這種新技術(shù)。類轉(zhuǎn)錄活化因子的編碼序列一經(jīng)破解，三個(gè)實(shí)驗(yàn)室就把類轉(zhuǎn)錄活化因子與鋅指核酸酶的剪切模塊融合，創(chuàng)造出了類轉(zhuǎn)錄活化因子核酸酶（簡稱TALENs）。類轉(zhuǎn)錄活化因子核酸酶在細(xì)胞內(nèi)引發(fā)基因編輯的效果非常驚人，科學(xué)家對它做了某些設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，更方便了它們的構(gòu)建和使用。

“但是，可憐的類轉(zhuǎn)錄活化因子核酸酶恐怕沒有機(jī)會(huì)一展身手了。”卡羅爾在一篇關(guān)于基因編輯起源的綜述文章中寫到。因?yàn)榫驮谌藗儼l(fā)現(xiàn)類轉(zhuǎn)錄活化因子核酸酶并用于基因編輯不久，最新的（也許是終極的）基因編輯技術(shù)出現(xiàn)了。這項(xiàng)技術(shù)叫作CRISPR——正是在這里，我的故事跟基因編輯的故事銜接了起來。基因編輯技術(shù)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷史，但它馬上要進(jìn)入一個(gè)激動(dòng)人心的新時(shí)代。