基因编辑：人类的终极大招

你好，我是仇子龙，欢迎来到《基因科学课》。

前几讲，我们提到了基因工程方法，我们已经可以给细菌和动物它们没有的基因，让它们帮我们生产药物了。

你可能觉得这很厉害了，不过，这只是对基因的模块化操作。科学家的终极梦想，是精确地修改基因。就像杂志的编辑那样，看到文稿中哪个字写错了，可以拿起橡皮擦抹去，然后修改一下。

在二十一世纪的第二个十年，这种精确的编辑基因的能力终于被科学家发现了。这就是CRISPR/Cas基因编辑系统。这个基因编辑技术被发现只有短短几年，已经成为了全人类的热门话题。

究竟什么是基因编辑呢？我的定义是，能够准确对基因组里的基因进行删除，修改和添加，就是基因编辑。

这个定义说明基因编辑系统应该具备两个能力：

1. 能在浩瀚的基因组里找到需要操作的基因；
2. 能够对DNA进行高效而准确的编辑。

现在人类找到的这个CRISPR/Cas基因编辑系统由两个部分组成。

• 第一个部分是一个RNA组成的导向系统，用来在基因组里寻找到希望编辑的基因。
• 第二个部分是一个高效率的DNA切割酶，能够对基因进行编辑。

这两个部分配合得天衣无缝，让CRISPR/Cas系统可以在目前所有生物的基因组里迅速找到任何位点，并进行编辑操作。

说来很有意思。引发基因工程革命的限制性内切酶，是细菌对抗天敌的第一套防御系统。而这个让人类无比兴奋和自豪的基因编辑系统，也不是人类的智慧发明，其实是细菌对抗天敌的第二套基因武器。所以，我没有那么兴奋得意。细菌里面说不定还有第三套我们还没发现的、更复杂的基因武器呢。

不管怎么样，CRISPR/Cas基因编辑系统确实在短短的六年时间就改变了人类社会。这一讲，让我们来聊聊，科学家用基因编辑已经做了什么，以后还能做什么。我们是不是能用基因编辑为所欲为？

1.基因删除

基因编辑能做什么？首先，是能够准确地对基因组里的基因进行删除。

你可能觉得奇怪，基因不是对我们很重要么？我们为什么要删除基因呢？

我跟你介绍一下两只比格犬，它们分别叫大力神和天狗。这两只狗狗的浑身都是肌肉，可不是练出来的，而是天生就有的。

大力神与天狗

你想不用跑健身房吃蛋白粉，天生就有浑身的肌肉吗？只要删除一个基因就行，这个基因叫肌肉生长抑制素（myostatin）。

大力神和天狗就是用基因编辑的方法，删除了肌肉生长抑制素基因，才长成这样的。

你可能会担心，这样会影响它们的健康吗？请放心，目前它们非常健康。肌肉比脂肪会消耗更多的能量，所以大力神和天狗会吃的比其他狗狗多一些，身体机能方面一切正常。（参考文献1）

顺便说一句，为什么我们会有一个抑制肌肉生长的基因呢？

我推测，对自然界中的动物来说，肌肉本身消耗过多的能量，储存能量不如脂肪组织轻便，所以肌肉是一个很奢侈的配置，够用就行。为了避免肌肉组织过分发达，专门有一个基因来抑制肌肉的过度生长。

谁能想到现代的人类已经丰衣足食，每天要跑健身房，巴不得浑身多些肌肉少些脂肪呢？

2.基因修改

当然，我们的两万个基因基本上还都是有用的。所以，基因编辑更重要的任务，是对我们基因里的错误进行修改。

有一种先天性心脏病，是基因突变引起的。因为突变的基因主要在心脏里表达，我们的心脏又非常重要，目前的基因疗法还不能直接治疗。所以，这种疾病现在是不治之症。

患者大约会在30—40岁左右发病。因为基因突变往往是上一代遗传到下一代的，所以对患者来说，最迫切的除了寻医找药之外，就是不让基因突变传到下一代。

其实，这个愿望在医学上已经实现了，方法叫做“植入前遗传诊断”，英文简称PGD。

具体的操作过程是这样的。

首先，我们需要通过一大家子的基因分析，找到这个罪魁祸首的基因突变。然后，当基因突变携带者结婚生子的时候，要来做一个PGD，提取精子和卵子，在体外受精。一般会有好几个精子和卵子同时受精，产生一批受精卵。然后，在受精卵发育到一定阶段，取出几个细胞进行基因检测。只挑选那些不含有基因突变的受精卵移植入母亲的子宫内孕育下一代。

这个过程主要依赖父代遗传物质传到子代的随机性，总会有正常的胚胎出现。这种方法依赖概率，说白了就是靠运气。

不过，有了基因编辑技术，我们就不用碰运气了。

2017年美国与韩国科学家合作，第一次在人类的受精卵里，用CRISPR基因编辑技术修复了一个会导致先天性心脏病的基因突变。（参考文献2）

这个工作堪称完美，科学家们准确地修改了一个字符的基因突变，并且没有引起其他副作用。终于，我们可以对基因里的错误进行修改了。

3.基因修改的问题

不过，因为医学伦理学的规定，科学家并没有把这个被基因编辑的受精卵放回母亲子宫里。

这是为什么呢？基因突变不是被完美修复了吗？

第一个原因是，基因编辑系统还不完美，基因编辑有可能给婴儿带来缺陷。

在医学上，医疗手段的风险都要经过医生和伦理学家充分的评估。基因编辑后的婴儿更是这样，一旦出生就是我们人类的一员。

出于人类自由的天性，我们帮下一代修改基因已经很有点长辈跟我们说“我这是为你好”的意思了，如果还有因为基因编辑带来的副作用，那是谁都无法承担的责任。

科学家已经发现了CRISPR/Cas系统几个常见的缺陷，其中最主要的叫脱靶效应，就好像射箭，结果射飞了脱靶一样。产生脱靶效应的原因是导向系统的准星还不够好，让DNA切割酶在靶点之外的位置上也产生编辑。

不过我认为这些都是小问题。连技术性问题都能很快解决，脱靶的问题相信不出几年就能被科学家所解决。

那么，我们究竟在怕什么？

其实，最重要的原因是，我们担心大自然的防御机制。不要忘记，CRISPR/Cas系统只是在细菌里的基因武器，我们人类的细胞里天生是没有的，大自然会不会有什么武器来反制这种非自然的基因编辑？

2018年6月，来自瑞典和英国的科学家各自报道，CRISPR/Cas系统对DNA的切割，会激活一个重要的抑癌基因P53。

P53基因是目前发现对癌症细胞疯狂增长有重要抑制的基因，它的专职工作就是修复DNA损伤。

换句话说，人类的细胞天生是不喜欢CRISPR/Cas的。突变的基因在被基因编辑修复的时候，DNA首先会被切割，这一切割就会触发DNA损伤修复系统。

所以被CRISPR/Cas系统成功修复了基因突变的细胞，其实都是这种损伤修复机制发生了缺陷的细胞，那岂不是意味着更有可能产生肿瘤吗？

没想到基因突变被修复的同时，就意味着这个细胞更有可能成为癌症细胞。大自然居然用这么残酷的方法来防御基因编辑。

当然，顽强的科学家还没有放弃。我们能不能绕开这个大自然的防御系统呢？现在科学家正在研究一些更巧妙的方法，比如说，我不去彻底地切断DNA，这样就不会触发损伤修复机制了。

我相信，问题总有办法解决。科学和技术就是这样一点一点进步的。

4.基因添加与基因驱动

一个完美的编辑系统，除了删除和修改，应该还能添加。CRISPR/Cas系统能在基因组里添加基因吗？当然能。

我要给你说一个添加基因的极端例子，这就是能用基因编辑做到的最疯狂的事之一——基因驱动。

基因驱动是什么意思？就是把生物体本来没有的基因加入基因组，人为地驱动生物的演化。

我来举一个抗疟疾的例子。尽管我们有屠呦呦先生发现的青蒿素，但是人类现在面临的最大威胁之一，其实还是疟疾。每年在非洲，疟疾还会夺走数十万人的生命。

科学家从十年前就开始构思，想研制出一种转基因蚊子，让疟原虫不能够被传播出去。但是苦于自然繁殖的效率很低，猴年马月也不可能让这种转基因蚊子成为大自然里的优势种群。

现在有了基因编辑系统，这一切真是有可能的了。

科学家可以在蚊子的基因组里装上CRISPR/Cas系统，因为基因编辑系统可以在基因组里高效地插入目标基因，这样一来，就能把一些我们希望它们携带的基因，比如说让疟原虫不能传播的基因，迅速扩散到整个蚊子的种群里去。

这种过程就被叫做基因驱动。

基因驱动的构思有了，究竟能不能成功呢？2015年，美国科学家在果蝇里进行了初步实验，证明基因驱动在昆虫的基因组里确实是有可能的。

但是在走向下一步，对蚊子进行基因驱动实验的时候，科学家不约而同地停了下来。

他们扪心自问，我们真的可以这么做吗？我们真的可以改变基因演化的历程吗？当蚊子种群的基因被人工改变以后，它们还能在自然界生存吗？没人知道。

说得极端一点，我们人类真的希望用基因武器去灭绝一个物种吗？就因为它们传播人类的疾病。

我们再一次走到了科学与伦理的交界线。基因编辑的边界在哪呢？基因科学的发展和人类社会的选择，我们每个人都有发言权。

思考题

在这一讲结尾，我想问你三个问题。对于人类即将面临的基因科学伦理问题，我期待你的观点。

• 第一，我们能否运用基因编辑的方法，改变人类受精卵的基因，对导致疾病的基因突变进行修复？
• 第二，我们能否运用基因编辑的方法，在影响人类健康的物种中，运用基因驱动来扩散基因、改变基因，或者干脆消灭整个物种？
• 第三，我们能否运用基因编辑的方法，在人类受精卵中修改基因，改变人类的先天能力，比如说身高、体能或者智商呢？

总结

总结一下，这一章我们讲了人类的反叛。人类通过操纵基因，开始反叛基因决定的宿命，在增强生产力和修复自身的方面，已经取得了辉煌的成功，而且还获得了基因编辑这种终极大招。

但接下来，人类社会马上面临重要的抉择，那就是基因科学的边界在哪里，基因科学的未来会往哪儿走。下一讲，我们来聊聊这个话题。我们下一讲见。