專訪David R. Liu：激動人心的基因組編輯時代 | NSR專欄
David Liu 攝影/Casey Atkins
圖片由博德研究所提供
撰文 | 趙維杰 Kevin T. Zhao
翻譯 | 趙志磊
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1987年，大阪大學(xué)的研究者在細菌中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的成簇DNA重復(fù)序列；幾年內(nèi)，另外兩個課題組也獨立發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。但在當(dāng)時沒人知道這些序列的功能。在那之后的十幾年中，只有幾個研究組對它進行了研究。直到2005年，科學(xué)家們才終于揭示了這些被稱為“成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）的DNA重復(fù)序列的功能：CRIPSR與“CRISPR關(guān)聯(lián)蛋白”（Cas）相結(jié)合，可以在細菌抵抗噬菌體感染的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。具體來講，CRISPR序列可以轉(zhuǎn)錄為靶向RNA分子，將Cas酶引導(dǎo)至病毒DNA的特定位點并進行DNA切割，從而抵抗病毒感染。
科學(xué)家們很快意識到，這種天然的細菌免疫系統(tǒng)可以被改造為一種強大的基因組編輯工具。已有的基因組編輯工具，如鋅指核酸酶（ZFN）和類轉(zhuǎn)錄激活子效用核酸酶（TALEN），都是依賴蛋白質(zhì)-DNA的相互作用來將酶靶向引導(dǎo)到特定的DNA序列。要想編輯不同的DNA序列，就需要設(shè)計、改造和演化出能夠與之相互作用的蛋白質(zhì)，這一過程既困難又費時。與此相對，CRISPR/Cas系統(tǒng)利用引導(dǎo)RNA（guide RNA）和目標DNA之間的“沃森-克里克堿基配對”來把復(fù)合物定位到特異的DNA序列上。這個特性讓使用者可以簡單地改變引導(dǎo)RNA的序列來匹配新的DNA靶標，從而把復(fù)合物定位到所需位點。
從那時起，無數(shù)有天分的科學(xué)家進入這一領(lǐng)域。十年之間，他們就把CRISPR/Cas系統(tǒng)發(fā)展為強大的基因組編輯工具，并將其應(yīng)用到微生物、植物、動物，甚至是人類胚胎。美國哈佛大學(xué)和博德研究所教授、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員David R. Liu（劉如謙）就是其中之一。David對這一領(lǐng)域做出的最重要貢獻之一是開發(fā)了“堿基編輯”（base editing）方法：把CRIPSR系統(tǒng)從切割DNA的“剪刀”變?yōu)榱四軌蚋膶懱囟▔A基的“修正器”。這項發(fā)明打開了精確基因組編輯的大門，為治療眾多單堿基突變造成的遺傳病帶來可能。在這篇專訪中，David談到了這個激動人心的基因組編輯時代。
未來還會產(chǎn)生更強大的基因組編輯工具
NSR：CRISPR系統(tǒng)在這些年的主要發(fā)展有哪些？
Liu: 在CRIPSR的生物學(xué)機制和應(yīng)用方面，科學(xué)家們都有很多重要的發(fā)現(xiàn)。其中很多發(fā)現(xiàn)揭示了這種細菌免疫系統(tǒng)的天然機制和組份。這些生物學(xué)發(fā)現(xiàn)又掀起了以各種方式應(yīng)用CRIPSR系統(tǒng)來操作基因組和表觀基因組的熱潮，包括切割DNA、堿基編輯、激活或者關(guān)閉基因表達等等。
在將來，這些領(lǐng)域肯定還會有更多發(fā)展。很多專注又有天分的人都投身于基因組編輯領(lǐng)域。在可預(yù)見的未來，現(xiàn)有的基因組編輯系統(tǒng)會持續(xù)得到優(yōu)化，新的系統(tǒng)也會不斷涌現(xiàn)，給生命科學(xué)帶來新的可能性。參與相關(guān)研究如此激動人心的原因也正在于此。
NSR：CRIPSR面臨的挑戰(zhàn)有哪些？
Liu：有些情況下，要把CRISPR精確定位到基因組的正確位置會有困難。另一些情況下，要把CRISPR遞送到正確的細胞，尤其是病人或者動物體內(nèi)正確的細胞中，也有困難。我們還必須更好地理解脫靶效應(yīng)，需要了解脫靶事件發(fā)生后會產(chǎn)生哪些后果。在使用CRISPR治療遺傳疾病患者之前，我們必須確保它是安全且有效的。
NSR：那其他基因組編輯工具呢？它們會被CRISPR取代嗎？
Liu：基因組編輯是一個很廣闊的領(lǐng)域。當(dāng)我們在不同領(lǐng)域，比如農(nóng)業(yè)或者醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，進行基因組編輯時，我們常常需要不同的工具來解決不同的問題。沒有一個單一的工具可以滿足所有應(yīng)用的需求。如果你的目標是做某一特定類型的點突變，那么堿基編輯器（base editor）有很多優(yōu)勢。但如果你的目標是插入或者剪切一大段DNA，那堿基編輯器就不那么有用了。如果你要編輯人類病人，你需要確保不想要的編輯發(fā)生的頻率足夠低，不致于對病人產(chǎn)生危害。但如果你要編輯植物來育種，那么那些不想要的編輯事件可以很簡單地通過篩選一百棵不同的幼株來規(guī)避。因此我們總是需要各種工具來最廣泛地讓社會受益。我認為ZFN、TALEN、CRISPR-Cas9核酸酶、堿基編輯器、表觀基因組修飾工具和其他基因組編輯工具都會在這個領(lǐng)域的日益繁榮中持續(xù)發(fā)揮重要作用。
NSR：未來會有更強大的新的基因組編輯工具出現(xiàn)嗎？
Liu：會的。歷史告訴我們，在基因組編輯領(lǐng)域，每一年都會有新的工具出現(xiàn)，來不斷重新定義什么是“現(xiàn)有最高水平”。所以很容易就可以預(yù)測到，新的基因組編輯工具會不斷提高我們的能力，有時是建立在已有工具的基礎(chǔ)上。
接下來的十年會非常激動人心
NSR：這些工具的臨床應(yīng)用進展如何？
Liu: 你可能知道，CRISPR在一些國家已經(jīng)進入了人體臨床試驗。從近期的動物試驗結(jié)果來看，體外和體內(nèi)的基因組編輯技術(shù)都在治療人類疾病方面很有前景。這些工具可以代表新一代的醫(yī)學(xué)。對于由遺傳因素導(dǎo)致的疾病，它不是治療疾病的癥狀，而是從根本上糾正疾病的病因。這是一個非常激動人心的可能性，但也需要非常謹慎地發(fā)展，需要全世界科學(xué)家、倫理學(xué)家和監(jiān)管部門的共同參與。
NSR：基因組編輯療法何時可以被批準用于普通病人？
Liu：如果在未來5年內(nèi)沒有開展很多的臨床試驗，我會感到非常的驚訝和失望。而臨床新藥的批準可能在未來的5到10年內(nèi)發(fā)生。最先被瞄準的可能是那些很嚴重的、造成很多痛苦和死亡、但還沒有有效療法的疾病。接下來的10年會非常激動人心，我們將可以看到CRISPR生物學(xué)和基因組編輯工具的發(fā)展如何更好地使病人受益。
基因組編輯不可能制造出完美嬰兒
NSR：公眾對基因組編輯有很多誤解。科學(xué)家怎么樣更好地和他們溝通？
Liu：這是很重要的一點?？茖W(xué)家需要幫助公眾理解基因組編輯和CRISPR系統(tǒng)的能力。同樣重要的是，科學(xué)家應(yīng)該更好地向公眾普及更基本的遺傳學(xué)知識。我們被問到的很多問題，比如“你們能不能用CRISPR來制造超級聰明或者非常強壯的嬰兒？”，都反映了提問者基本遺傳學(xué)知識的匱乏。
并沒有一個單獨的基因可以決定你的智力。實際上像智力這么復(fù)雜的性狀可能是上千個基因和環(huán)境共同作用的結(jié)果。所以在我看來，基因組編輯不可能制造出經(jīng)過設(shè)計的擁有完美智力或者類似特征的嬰兒。而且，在人體中開發(fā)和測試基因組編輯所需要的精力和資源都非常巨大。如果你有一個得了遺傳病的孩子，被診斷出很快就會去世，那這是一個非常嚴重的問題，人們投入巨量的資源來治療這樣的人群是合理的。但是讓人的頭發(fā)變亮、讓人跑得更快或者音樂演奏得更好？我懷疑這些課題可能永遠不會成為基因組編輯研究者的目標。
NSR：一些研究者已經(jīng)嘗試讓動物擁有更多的肌肉。
Liu：是的。但這其實是在很多年前就通過育種的方式實現(xiàn)的，完全不需要基因組編輯技術(shù)。MSTN（編碼肌肉生長抑制素的基因）和其他基因的自然突變讓動物擁有更多的肌肉?；蚪M編輯只是給我們提供了一種更快的方法，來將這些自然產(chǎn)生的突變轉(zhuǎn)移到特定動物體內(nèi)。
在基因組編輯之前，我們使用選擇性育種這種原始但有效的方法來操作動植物的基因組的歷史已經(jīng)有幾千年了。我希望公眾能夠明白，有目的地操縱基因，并不是基因組編輯技術(shù)帶來的新事物。幾千年來，人類一直通過選擇性育種做著相同的事情，基因組編輯只是提供了更為高效和精確的基因操縱方法。
NSR：這些信息怎么可以傳遞給公眾？
Liu：當(dāng)然，科學(xué)家能夠并且應(yīng)該找機會直接和公眾接觸。但我同時認為，政府應(yīng)該建立機制來確保關(guān)于這些重大發(fā)展的主要信息能夠被公眾獲知。不止是科學(xué)家有義務(wù)，整個社會，包括政府，都有義務(wù)圍繞這些重要問題作出縝密的決定。
領(lǐng)域內(nèi)有太多重要貢獻者
NSR：你現(xiàn)在的研究興趣是什么？
Liu：我的團隊將化學(xué)方法和蛋白質(zhì)演化方法相結(jié)合，來研究生物學(xué)問題并發(fā)展新的療法。我們有三個大的研究方向。第一是開發(fā)和應(yīng)用基于DNA模版的合成方法，來發(fā)現(xiàn)擁有有趣生物學(xué)特性的合成小分子和聚合物。第二是開發(fā)和應(yīng)用蛋白質(zhì)演化方法，包括噬菌體協(xié)助的連續(xù)演化（phage-assisted continuous evolution，PACE）方法，來讓蛋白質(zhì)演化出研究者感興趣的生物學(xué)特性。第三個當(dāng)然就是堿基編輯和基因組編輯。所有這些領(lǐng)域都是為了給患有不同疾病，包括遺傳性疾病的病人提供新的治療方法。
NSR：酶的定向演化技術(shù)獲得了2018年諾貝爾化學(xué)獎。這和你的研究有關(guān)嗎？酶的演化技術(shù)能否促進基因組編輯技術(shù)？
Liu：我們團隊是融合基因組編輯技術(shù)和蛋白質(zhì)演化技術(shù)的。我們使用蛋白質(zhì)演化來得到TALEN蛋白、CRISPR-Cas9蛋白和堿基編輯器的變體，讓它們獲得有用的新特性。
基因組編輯與酶演化之間有著天然的聯(lián)系。自然存在的基因組編輯蛋白并沒有演化出科學(xué)家和醫(yī)生需要的最佳特性。為了賦予這些天然蛋白質(zhì)新的特性，讓它們更加適用于基因組編輯，我們需要使用蛋白質(zhì)工程和演化技術(shù)來得到這些蛋白更有用的新形式。
NSR: 每個人都相信CRISPR將在幾年內(nèi)獲得諾貝爾獎。這一領(lǐng)域里有哪些重要人物可以成為候選者？
Liu：有太多人對這個領(lǐng)域做出了重要貢獻，我不太可能在這么短的訪談里把他們都列出來。不過我確實同意這個問題背后的前提，基因組編輯對科學(xué)產(chǎn)生了如此顛覆性的影響，并且開始對社會產(chǎn)生影響，它值得一個諾獎。但我也希望人們能夠意識到把獎頒給或者不頒給某個發(fā)現(xiàn)并不總是和這些發(fā)現(xiàn)的重要性相匹配的。
版權(quán)聲明
本文英文原文于2018年11月23日在線發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR ），原標題為“An exciting time for genome editing: an interview with David R. Liu”。NSR是科學(xué)出版社旗下期刊，與牛津大學(xué)出版社聯(lián)合出版?！吨R分子》獲NSR和牛津大學(xué)出版社授權(quán)刊發(fā)該文中文翻譯。
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原文鏈接：doi: 10.1093/nsr/nwy146
制版編輯 | 皮皮魚
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