出品新浪科技《科學(xué)大家》、墨子沙龍

　　撰文仇子龍中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所研究員

　　基因治療與腦疾病有什么關(guān)系呢？首先我們需要了解基因是什么？基因就在我們的細(xì)胞里面，細(xì)胞里有 30 億個(gè)堿基對(duì)組成我們所有的基因，基因編碼我們的皮膚、肌肉、心臟、大腦等人體的一切組織和器官。每個(gè)人的基因都是父親給一半，母親給一半，很多病是因?yàn)榛蛲蛔円鸬模覀兎Q為遺傳病。有些病跟父母的基因有關(guān)，有些是父母身上沒有這個(gè)基因，是孩子身上自發(fā)突變的，都被叫做遺傳病。總之，它是基因突變導(dǎo)致的一種疾病。

　　這種遺傳疾病的治療通常很麻煩，因?yàn)榛蛟谖覀兠總€(gè)人的身體里面，從生下來那一刻就沒有變過，我們?cè)趺锤淖兯麄儯咳绻驂牧耍覀冊(cè)趺葱迯?fù)他們？這就是我們想研究的課題。

　　現(xiàn)在我們有辦法一步一步修復(fù)讓我們得病的基因。最新的基因修復(fù)工具，叫 CRISPR/Cas9。

　　強(qiáng)大的基因編輯工具 CRISPR/Cas9 竟是細(xì)菌防御天敵的武器

　　基因編輯工具最早是生物學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里研究的一種用來修改 DNA 的方法。它們是某個(gè)聰明人設(shè)計(jì)出來的嗎？完全不是。這個(gè)工具的壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年甚至幾十億年，存在于細(xì)菌體內(nèi)，是細(xì)菌反抗天敵的工具。細(xì)菌的天敵叫做噬菌體，細(xì)菌就是一個(gè)細(xì)胞，噬菌體會(huì)抓到細(xì)胞上，把細(xì)胞吃掉，但是細(xì)菌不會(huì)坐以待斃，怎么辦呢？它們演化出來一套很復(fù)雜的系統(tǒng)。

CRISPR/Cas9——目前最強(qiáng)大的基因編輯工具，原來是細(xì)菌防御天敵噬菌體的武器

　　當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌的時(shí)候，把自己的 DNA 注射到細(xì)菌里面，噬菌體用基因消滅宿主并完成自身基因的復(fù)制。在這種情況下，細(xì)菌進(jìn)化出了一套非常強(qiáng)大的工具。細(xì)菌會(huì)把這個(gè)噬菌體 DNA 記下來，然后把噬菌體的 DNA 拷貝到自己的基因組里面，根據(jù)基因組的序列，設(shè)定出一套跟它匹配的 RNA，根據(jù) RNA 做一套酶去剪切噬菌體的基因。

　　相當(dāng)于，當(dāng)噬菌體第一次來的時(shí)候，細(xì)菌先被動(dòng)防御一下，但細(xì)菌會(huì)記住噬菌體的樣子，噬菌體再來的時(shí)候，就像現(xiàn)在人臉識(shí)別非常準(zhǔn)確，細(xì)菌會(huì)把之前專門存的信息讀取出來，然后生出一套很大的 DNA 剪切酶，把入侵的噬菌體的 DNA 破壞掉了。

　　說起來匪夷所思，我們都想不到。

　　被人類馴化的基因武器 CRISPR/Cas9

　　直到 2012 年科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)這套工具，之后這套工具就被科學(xué)家馴化了，細(xì)菌可以設(shè)計(jì)識(shí)別出噬菌體序列，那么人類基因組任何一個(gè)地方都可以當(dāng)作假想的噬菌體。科學(xué)家把這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一下，變成了可以識(shí)別生物體內(nèi)任意序列的工具。

　　這套系統(tǒng)首先被 Doudna 和 Charpentier 這兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們獲得了由谷歌贊助幾百萬美元的突破獎(jiǎng)。2013 年 1 月份，科學(xué)家 George Church 和華裔科學(xué)家張峰第一次在哺乳動(dòng)物細(xì)胞里面實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)基因的編輯。這套工具（CRISPR/Cas）是有史以來最精確的基因編輯工具。

　　基因組編輯紀(jì)元從 2012 年開始

　　面對(duì)基因疾病，這套工具顯能手！

　　編輯基因能干什么呢？我們做科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從研究基因的功能，到做一個(gè)基因修飾的動(dòng)物，到動(dòng)物模型，都需要基因編輯工具，所以現(xiàn)在已經(jīng)成為全世界做基因（研究）的科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室的必備工具。但是更重要的是，這個(gè)工具有可能被用來修復(fù)基因突變，有可能用來治療遺傳病。

　　舉個(gè)例子，上圖這個(gè)病的名字叫 DMD，中文名字叫杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良疾病，是一種致死性遺傳病，它就是基因突變導(dǎo)致的，這個(gè)病只在男孩兒中發(fā)生，因?yàn)榛蛲蛔儼l(fā)生在X染色體上，女孩攜帶突變的基因但不會(huì)發(fā)病。

　　這個(gè)病的進(jìn)程非常殘酷，小朋友兩三歲的時(shí)候沒事，慢慢的肌肉里面的筋就會(huì)逐漸積累有毒的蛋白質(zhì)，到后來會(huì)失去所有的行動(dòng)能力。不只是四肢的肌肉會(huì)萎縮，負(fù)責(zé)呼吸的肌肉和負(fù)責(zé)心跳的肌肉也會(huì)慢慢萎縮。突變的基因影響了全身所有肌肉的正常功能，最后小朋友在十幾歲只能癱在輪椅上，可以想像患者基本活不過二十歲，就會(huì)因?yàn)楹粑ソ咚廊ァ?/p>

　　科學(xué)家研究這個(gè)疾病幾十年，找到了原因，就是因?yàn)橐粋€(gè)基因突變，導(dǎo)致肌肉里的蛋白質(zhì)失去了功能。

　　下圖是 2015 年幾位美國科學(xué)家對(duì)小老鼠做的實(shí)驗(yàn)，他們給小老鼠攜帶上同樣的基因突變，叫 DMD 小鼠模型，小鼠會(huì)癱瘓，也是致死的。他們用最新的基因編輯的方法，給小老鼠患病的基因做了編輯。比如說，本來在這里有一個(gè)基因突變，基因序列變成了終止密碼，就讀不下去了，蛋白表達(dá)終止，現(xiàn)在用基因編輯的剪刀把這塊有毒的基因，叫外顯子，把它切掉，缺了一塊但仍然可以讀下去，這個(gè)基因盡管是不完整的，但是仍然獲得了一部分的功能。

　　小鼠經(jīng)過治療，活了下來。這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一次讓我們看到了 CRISPR/Cas 用作基因治療的工具有可能在小老鼠身上成功。

　　通過基因編輯治療 DMD 小鼠實(shí)驗(yàn)第一次展示了基因治療有可能在小老鼠身上成功

　　但是怎么對(duì)人用？小老鼠畢竟不是人，怎么把這個(gè)工具安全有效地轉(zhuǎn)到人身體里面？這是非常難的課題。科學(xué)家努力了十幾年，最近剛剛有了突破。

　　科學(xué)家用的就是這樣一種病毒作為載體來幫忙，這個(gè)病毒還是大自然母親的杰作。這個(gè)病毒叫 AAV：腺相關(guān)病毒，是一種不會(huì)使人得病的病毒。這個(gè)病毒里面自己的基因都被科學(xué)家刪掉了，只留下我們想留下的治病的基因，或者是基因編輯的工具等。所以現(xiàn)在可以用改裝過的病毒載體開展基因治療。

　　腺相關(guān)病毒作為基因載體還有另外一種可能性，就是“干細(xì)胞”治療，也是科學(xué)家一直在測(cè)試的。2015 年發(fā)表了這樣一篇研究文章：下圖這個(gè)小朋友大概 14 歲，把他身上攜帶突變的細(xì)胞取出來，在體外做基因編輯的修復(fù)，然后把肌肉細(xì)胞變成多能干細(xì)胞，之后再分化成正常的肌肉細(xì)胞。那么是不是可以把他修復(fù)好的肌肉細(xì)胞打到身體里面去？幫他行使正常的肌肉功能，這也是非常有前景的領(lǐng)域。

　　Gavriel Rosenfeld

　　但是這個(gè)工作還在進(jìn)展當(dāng)中，小朋友 2015 年已經(jīng) 14 歲，今年已經(jīng) 18 歲，已經(jīng)成年了。他每一天的病情都在不斷惡化，所以能不能有辦法馬上讓他的病情得到扭轉(zhuǎn)？我們現(xiàn)在可以用 AAV 基因載體的工具，先裝載一個(gè)小版本的基因治療他。

　　十年前還沒有基因編輯，科學(xué)家想出另外一個(gè)方法，直接給病人一個(gè)迷你版本的 DMD 正常基因。這兩位學(xué)院派的教授，是美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校專門研究病毒的教授，一位叫 Samulski，另一位肖嘯教授是他的第一位博士生。師生兩人原來只是研究怎么找到病毒的載體、研究病毒的生物學(xué)。后來他們發(fā)現(xiàn)病毒可以作為載體來治病，于是他們就用病毒做載體的方法，來看能不能治療 DMD。

　　他們 2014 年共同成立了 Bamboo Therapeutics 基因治療公司，就用 AAV 作為載體來治療 DMD。2014 年的時(shí)候，他們證明 AAV 病毒是能夠安全有效給人用的，不會(huì)讓人得病。但是怎么來把 DMD 基因運(yùn)送進(jìn)人體還有一個(gè)問題，它是人類最大的基因。這么大一個(gè)基因，病毒載體是有限的，它裝不進(jìn)去。怎么辦呢，他們把 DMD 基因做成縮小版本，為了知道管不管用，他們摸索了十幾年的時(shí)間，在小鼠身上，甚至在一個(gè)天生有 DMD 疾病的狗身上進(jìn)行試驗(yàn)，把狗的 DMD 治好了。最值得振奮人心的是，經(jīng)過十年的安全有效性的實(shí)驗(yàn)，他們終于有機(jī)會(huì)在人身上嘗試。

　　基因治療大幅改善 DMD 患者身體狀況

　　基因治療的效果-杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥

　　在 Facebook 上可以找到，這是一個(gè)美國的參與了他們臨床實(shí)驗(yàn)的小朋友。

　　左邊第一個(gè)是治療前，這個(gè)小朋友當(dāng)時(shí)大概五六歲，他上臺(tái)階的時(shí)候非常困難，因?yàn)樗麥喩淼募∪庖呀?jīng)開始病變。

　　第二個(gè)是他治療 1.5 個(gè)月以后，荷載了正常的名義版本的 DMD 基因的 AAV，被注射到他全身的肌肉，幫助他恢復(fù)功能。治療 1.5 個(gè)月以后，是不是好多了？我們都覺得很奇怪，到人身上能這么快起效嗎？因?yàn)樗墙o了一個(gè)基因，從 DNA 變成 RNA 變成蛋白質(zhì)，還要填到肌肉組織里去。

　　圖三是他三個(gè)月的時(shí)候，在美國的一個(gè)棒球場(chǎng)。他爸爸帶他看棒球，他渾身是汗，因?yàn)樗懒撕芏嗯_(tái)階了，可以看到他很流利的爬臺(tái)階。

　　圖四是四個(gè)月的時(shí)候，他居然可以下水游泳了，他可以協(xié)動(dòng)全身的肌肉在水里游泳。最后可以看到，在六個(gè)月的時(shí)候他在叢林里奔跑，面對(duì)如此復(fù)雜的環(huán)境，他像正常小朋友一樣在奔跑。

　　這是用了 Samulski 和肖嘯教授的 AAV-miniDMD 方法進(jìn)行的第一例成功的基因治療。Bamboo 公司在 2016 年被美國最大的制藥公司以 6.45 億美元收購，然后開展更大規(guī)模的臨床實(shí)驗(yàn)。

　　這是第一個(gè)成功的例子，后來還有一個(gè)更令人振奮的例子。DMD 是全身的肌肉疾病，肌肉治療相對(duì)容易一些，真正難的是大腦疾病。

　　面對(duì)更難治療的大腦疾病，科學(xué)家該怎么辦？

　　大腦疾病是神經(jīng)出了問題，全身的神經(jīng)，從大腦到每一個(gè)內(nèi)臟器官和肢體都有。神經(jīng)大腦疾病能不能用基因治療的方法治療？這兩年出了非常好的消息。有一種神經(jīng)系統(tǒng)疾病叫做脊髓性肌肉萎縮（SMA），它是因?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞的基因突變，導(dǎo)致神經(jīng)末梢慢慢萎縮，所以就像渾身癱瘓一樣。

　　這個(gè)藥物已經(jīng)研發(fā)成功，而且已經(jīng)上市，這種疾病也是用基因的方法治療。SMA 的發(fā)病率是一萬分之一，算是罕見病，但是在中國，得病人群很多。這個(gè)疾病沒有任何有效的治療方法，因?yàn)槭腔虻昧瞬　，F(xiàn)在有這樣的方法，可以將得病基因修復(fù)，把這個(gè)病治好。

　　第一個(gè)有效的方法是 Biogen 研究出來的，Biogen 是美國最大的生物技術(shù)公司。下面這個(gè)圖，人的全身都是神經(jīng)，這都是神經(jīng)末梢。怎么治呢？他們知道是什么基因壞掉了，他們用一個(gè)反義核苷酸的方法把壞掉的基因沉默掉，就是把壞掉的基因關(guān)掉，沒有改變這個(gè)基因。

　　但是令人振奮的是這種方法很有效，可以治好這個(gè)絕癥。2016 年這個(gè)療法獲得了 FDA 批準(zhǔn)。這個(gè)藥物需要打到脊髓里面，順著人的腦脊液到神經(jīng)系統(tǒng)來工作。FDA 批準(zhǔn)意味著它在安全性和有效性上都得到了權(quán)威認(rèn)證。這是一個(gè)非常有效的沉默基因的方法，并沒有修復(fù)基因。

　　SMA 基因療法藥物開發(fā)的兩家公司

　　另外一個(gè)小公司叫 Avexis，它利用 AAV 的方法，像 DMD 一樣，把正常的基因運(yùn)送到全身各處。這個(gè)方法很難，因?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)不像肌肉，可以進(jìn)行肌肉注射，大腦治療也很難，需要 AAV 像定向?qū)椧粯油竽X里走。他們得到初步的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)效果非常好，持續(xù)非常久。

　　2018 年業(yè)內(nèi)一個(gè)大消息，制藥業(yè)巨頭諾華花了 87 億美金收購了這家公司。大的制藥公司覺得一個(gè)新的藥物出現(xiàn)了，基因治療的藥物確實(shí)是有可能的。

　　跟大家說了這些病，我們課題組的努力在眼科疾病。其實(shí)美國和歐洲的研究比我們領(lǐng)先，我們是有點(diǎn)落后的，畢竟剛開始。

　　最新的一個(gè)基因治療的眼科藥物（AAV 方法）在美國上市了。因?yàn)橐暰W(wǎng)膜慢慢的突變，會(huì)發(fā)生眼科疾病。三年前我們與中國科技大學(xué)的薛天教授合作，想開發(fā)一個(gè)新的基因編輯修復(fù)突變的方法，能不能用基因編輯的方法真正的修復(fù)基因。這個(gè)基因編輯很多人用，但是還沒有人做到把體內(nèi)細(xì)胞的突變修復(fù)。

　　我們想做原始創(chuàng)新，要做一個(gè)別人沒做到的方法。下面這幅圖右邊是我自己回國后的第一位博士生程田林博士，已經(jīng)畢業(yè)三四年了。他想設(shè)計(jì)一些基于基因編輯的突變修復(fù)方法，他設(shè)計(jì)出的這個(gè)方法比較復(fù)雜，這個(gè)文章很快就要發(fā)表了。我們的想法是能不能裝一個(gè)定向?qū)棸阉c(diǎn)修復(fù)呢？我們就用這個(gè)方法，在薛天老師的實(shí)驗(yàn)里，打到失明小鼠的視網(wǎng)膜里面去。這是一個(gè)攜帶視網(wǎng)膜基因突變的模型小鼠（見下圖），基因突變以后蛋白質(zhì)就消失了，視網(wǎng)膜就失明了。用原位的精確修復(fù)的方法，可以看到A變成C，原來中止的蛋白質(zhì)的就讀通了。這個(gè)方法就把蛋白質(zhì)基因突變修復(fù)了一下，把蛋白質(zhì)救回來。救回來之后小鼠能夠恢復(fù)光明嗎？這是我們不知道的。

　　怎樣完美的修復(fù)基因突變？

　　我們給視網(wǎng)膜做了一個(gè)反射試驗(yàn)，正常的視網(wǎng)膜照一下強(qiáng)光，瞳孔會(huì)收縮，失明的就不會(huì)收縮。我們修復(fù)過以后，瞳孔開始產(chǎn)生了光反應(yīng)的狀況，說明基因修復(fù)好以后，蛋白質(zhì)開始工作，讓眼睛開始慢慢感光了，也發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜定位的功能也慢慢修復(fù)了。經(jīng)歷兩年多的時(shí)間，小老鼠恢復(fù)了光明。我們修復(fù)失明的過程雖然不是很完美，但是讓它慢慢恢復(fù)了光明，這是第一步，走出了從 0 到 1 的第一步。

　　基因治療的明天

　　上圖是我們現(xiàn)在所有的進(jìn)展，非常令人振奮。我剛才說的這些病，聽上去都是絕癥，但很多基因藥物都已經(jīng)上市了。血友病在進(jìn)行第二期臨床試驗(yàn)，地中海貧血在臨床實(shí)驗(yàn)，帕金森也在第二期臨床試驗(yàn)。我們看到最近三到五年之內(nèi)，有大批的基因治療的藥物即將上市，我們也希望有更多基因治療的藥物在中國有更多的臨床實(shí)驗(yàn)，惠及到中國的病人。

　　注：文章整理于仇子龍老師在墨子沙龍上的演講，有刪減。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《科学大家》专栏 | “修剪基因”：让人绝望的遗传病将被改写的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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