漫画 | 一文读懂基因编辑

本文首发于腾讯科普企鹅号“科普中国头条创作与推送”。这是 Sheldon 的第 110 篇漫画，所有图片大约 3 MB。

你发现了没有，在科幻电影中，平民出身的“超级英雄”都有一个共同点：他们的超能力往往不是靠勤学苦练练出来的，而都是靠修改基因改出来的！

虽然超能力在现实中并不存在，但是修改人类的基因早已成为了现实。今天咱们就来说说，新闻里常说的 基因编辑是怎么回事？编辑基因会有啥好处？

（一）

先说说基因是啥。基因说白了，就是 制造生物体的图纸 。生物体的大部分细胞里都有这样一整套的基因图纸。蜘蛛侠之所以能吐丝，能飞檐走壁，靠的就是基因图纸的指导。

只不过，基因这种图纸，不是直接把生物特征画成了图，而是将它 加密成了一串密码 。这串密码也不是用普通人能看得懂的符号写的，而是 由四种特殊的化学分子排列成的。 这四种化学分子分别记作A、T、C、G [注：1] 。

在细胞中，这串由化学分子排列形成的密码长链就是我们平常说的

所以， 基因编辑，就是像我们编辑手机中的文字一样，编辑 DNA 分子中某几个特定的化学分子！

那么，基因编辑跟我们普通人又有什么关系呢？

（二）

人会有缺陷，计算机程序会有缺陷。

同样的道理，生物细胞里存放的基因图纸也会有缺陷。

有时候，基因缺陷的后果很严重。因为图纸出了问题，造出的零件就可能出问题。零件出了问题，使用零件的机器就可能出问题。最严重的时候，整个“生命工厂”都会因此产生重大事故。

实际上，许多打针吃药做手术都治不好的病，都是跟基因缺陷有关。比如，有一种病叫作 联合免疫缺陷 。得了这种病的小孩，免疫系统几乎完全失灵，通常只能住在与世隔绝的气泡舱里。这种病的一种较常见的原因是 ADA 基因存在缺陷。

除此之外，癌症、血友病 、 白化病等等，甚至某些高血压和糖尿病，都跟基因缺陷有关。所以，就算我们不想制造超级英雄，为了身体健康，我们也得了解一点儿基因编辑的知识。

（三）

要想搞清楚基因该怎么编辑，就得先分清楚基因存在哪类缺陷。粗略地说，基因缺陷可以分为两类。一类叫作“ 该有的没有 ”，另一类叫作“ 不该有的乱有 ”。

1.该有的没有

假如基因缺陷导致某个基因造出的零件不好用，或者干脆啥也造不出来，就属于 该有的没有 。此时，科学家就会往细胞里添一个好用的基因，也就是“缺啥补啥” ^{[ 1]} 。这种任务通常由某种改造过的病毒来完成。说白了，就是让病毒把好用的基因塞到细胞里。

比如，1990 年，美国国立卫生院临床中心就是用添基因的办法 （即添加正常的 ADA 基因） ，治好了一个 患有 联合免疫缺陷 的小女孩。于是，这个小女孩再也不用在气泡舱里生活了。

话说回来， 往细胞里添基因虽然也属于基因编辑，但这种方法有点儿不够精准 。因为用这种方法添加的基因，会在 DNA 密码链中随便找地方落脚，有点儿不受控制。相比之下，下面这种情况才是手术刀级别的“基因编辑”。

2.不该有的乱有

假如基因缺陷的后果不是零件不好用，而是零件功能错乱，导致 不该有的乱有 ，那么，添基因的办法就不管用了。

这个时候，科学家必须把基因的缺陷修改掉，也就是像编辑图纸中的错别字/错线段一样，直接 在 DNA 密码链特定的位置上插入、删除、替换其中的某几个密码字符 （即化学分子） ，才能彻底解决这个问题。这就是 手术刀级别的基因编辑 。

比如，有一种叫作 HTT 的基因包含 9000 多个密码字符，其中的字符难免会出错 （注：多出来好几处内容为“ CAG ”的密码序列） 。如果“错别字”数量超过一定阈值，人类和小鼠就会得一种奇怪的遗传病，叫作 亨廷顿舞蹈症 。

科学家发现，利用基因编辑技术，把 DNA 密码链中的“错别字”编辑掉，小鼠的亨廷顿舞蹈症就能治好 ^{[ 2]} ！

（四）

在人类的 DNA 中，密码字符的数量高达几十亿个，

怎样才能改正其中的“错别字”呢？

我们可以设想，不管用什么办法，这个过程一定会分成三个步骤：

所以，科学家要想实现基因编辑，就需要有一套好用的工具，配合细胞修复机制，共同完成这几个步骤。那么，世界上真的存在这么好用的工具吗？

（五）

这样的工具真的存在，而且，它们往往存在于自然界的生物细胞中。例如，最近格外出名的基因编辑工具 CRISPR/Cas 系统 ，就是在细菌体内发现的。

CRISPR/Cas 原本是细菌的免疫系统，最擅长剪断特定的 DNA 。经过科学家改造后，它就可以帮助我们编辑 指定 基因了。

比方说，在这套工具中，专门有一串化学分子 （gRNA） 可以在 DNA 密码链中识别“目标错别字”。一旦它找到了“目标错别字”，就会像拉链一样，跟一条 DNA 密码链紧紧地扣在一起。这就是第一步。

此时，有一种和它连在一起的蛋白质 （Cas9） 就会对准DNA密码链的这个位置，“咔嚓”剪一刀。这就是第二步。

最后，细胞的修复机制会发挥作用，按照科学家指定的“内容模板”，把“错别字”改对，再把 DNA 密码链接好。这就是第三步。

咱们在上文说的编辑小鼠 HTT 基因，治疗小鼠亨廷顿舞蹈症的实验，用的就是这套工具 （CRISPR/Cas 系统） ，是不是很厉害？

（六）

虽然 CRISPR/Cas 系统现在风头正劲，但 它目前还存在两个不足 ：一是 脱靶效应 ，二是 缺乏默契 。

第一个不足是 脱靶效应 。也就是说，在它识别错别字的时候，可能会误伤某段正常的密码链 （比如，一段密码链的内容跟“目标错别字”很像，但不完全一样时） 。

这个道理很简单。CRISPR/Cas 系统本来就是细菌的“锄奸队”，它的任务是铲除病毒植入的病毒基因。由于病毒的基因会不断变异，所以它得有一定的灵活度，不能总是要求100%的匹配。

而且，由于人的某些基因是成对地出现在一对染色体上的。当一对基因都存在缺陷时，编辑基因的任务量就会翻倍，难度也会随之增加。

第二个不足是 缺乏默契 。CRISPR/Cas 系统再怎么经过改造，它也是从细菌来的。细菌没有细胞核，跟人这样的有细胞核的生物非常不同。CRISPR/Cas 系统跟人体细胞修复机制打配合的时候，就好比让 C罗跟篮球 队员打配合，肯定会缺乏默契。