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今年的诺贝尔化学奖出现了极具戏剧的一幕。
那就是
史无前例的,首次同时颁发给两位女科学家
。
她们分别是马克斯·普朗克感染生物学研究所主任伊曼纽尔·夏彭蒂耶
(Emmanuelle Charpentier)
和加州大学伯克利分校的生物化学家詹妮弗·杜德纳
(Jennifer Doudna)。
这两位女化学家巧用新一代基因编辑技术CRISPR,以极高的精度编辑了动物、植物和微生物的DNA。
基因编辑的意义?
外界对基因编辑的诸多关注都是因为它有可能治疗或预防人类疾病。成千上万的遗传性疾病可以代代相传,其中许多类型都是非常严重的。这些遗传性疾病并不罕见:25个孩子中有一个生来就患有遗传性疾病,其中最常见的是囊性纤维化、镰状细胞贫血和肌营养不良。而基因编辑有望通过重写病人细胞中致病的DNA来治疗这些疾病。
不仅仅可以修复错误的基因,还可以被用于改变人类的免疫细胞以抵抗癌症或者抵抗HIV感染;它也可以用来修复人类胚胎中的缺陷基因,防止婴儿继承严重疾病。然而,基因编辑的应用仍存在争议,因为基因的变化会影响精子或卵子,这意味着基因编辑造成的任何副作用都会传给后代。
编辑基因的方法有很多种,但是其中最为突出的是近年来用作分子工具、被称为CRISPR-Cas9的方法。
该方法的原理是:首先使用一个向导分子
(CRISPR点)
在一个生物体的遗传密码中找到一个特定的区域,例如突变基因,然后再用酶
(Cas9)
切除它。这样做对关闭有害基因很有用,因为当细胞试图修复损伤时,它通常会造成更多的损伤,从而更有效地破坏该突变基因。此外,还能对其他类型的基因进行修护。
例如,修补有缺陷的基因,科学家可以切除突变的DNA、并用CRISPR-Cas9分子携带健康的DNA链来取代它。这其中的Cas9可以由不同的酶来替代,如CPF1,这样可能使编辑DNA更有效。
虽然现代基因编辑技术相当精准,但是它并不完美。这个过程可能会发生一些意外,可能会脱靶到一些你不想进行编辑的细胞上。而且即使CRISPR到达需要编辑的细胞中,但是它在不同细胞中的表现也不尽相同,例如,在某些细胞中,修复一个突变基因的两个拷贝,但在另外一些细胞中只修复其中的一个拷贝。对于某一些遗传性疾病来说,这或许无关紧要,但是如果是在单拷贝突变引起的疾病中,它可能存在问题。
另一个可能存在的问题是在基因组中错误的地方进行编辑。这些编辑可能会脱靶到成百上千个位点上,而这些错误编辑有可能会破坏某些健康基因或关键基因的调控区域。
目前,科学家已经在动物身上使用了这种新型基因编辑工具,并且取得了许多进展。
比如,科学家利用CRISPR制造出了一种“基因增强版”的小猎犬,它肌肉发达,像是犬类里的施瓦辛格,而科学家改变 的只是参与控制肌肉形成的基因的一个碱基对。
在另一个例子里, 通过抑制猪的身体里对生长激素起反应的基因,研究人员制造出了迷你猪,它大小接近家猫,可以作为宠物出售。科学家也在陕北山羊身上进行了类似的实验,使用CRISPR编辑了它的基因组,同时提高了肌肉含量(这意味着更多的肉)与含毛量(这意味着更多的山羊绒)。通过CRISPR,遗传学家已经把亚洲象改造得越来越像猛犸象,或许有朝一日会复原这种已经灭绝的动物。