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1、基因编辑通俗详解1如果生命像电脑上的文本文件一样容易被编辑、被修改，将会如何？如果可以对生物的遗传密码这儿修修，那儿补补，可以稍微调整和彻底改变它们的特征，将会怎样？想象在化学实验室里创造一种全新的生物，又会怎么样？2当我们掌握了个体化基因组信息和操控这些信息的能力时，家长会不会叫嚷着要把孩子设计成像C罗一样的球星，像莫扎特一样的钢琴家，像爱因斯坦一样具有科学天赋？如果未来的生命体能够纯粹由人工合成，那是不是意味着有一天我们也会有人造人？3现在各种关于转基因农作物、基因疗法或“定制婴儿的辩论都是以基因编辑作为科学基 础。4其实从20世纪70年代起就有了在试管里剪切、粘贴基因序列的技术，31有一
2、种猴病毒40可以致癌性，如果把病毒注射到小鼠体内，便能在肌肉、脂肪等组织中引 起肿瘤，但在肝脏中就不会。耶尼施猜想，这种选择性要么是因为猴病毒40不能感染肝脏细胞，要么是因为这些肝细 胞在感染病毒后可以阻止病毒的复制。32为了检验哪种猜想是正确的，耶尼施决定尝试用猴病毒40感染小鼠早期胚胎。因为在生命早期，所有细胞都有多能性，也就是可以产生任意的细胞类型，那么这样做应 该可以把病毒转入小鼠体内所有组织之中。耶尼施把猴病毒40注射到小鼠胚胎内，然后把这些胚胎移植到雌性小鼠体内。33当这只雌性小鼠产下幼崽后，耶尼施用放射性探针检测这些幼崽是否有猴病毒40基因的 存在时，他发现病毒DNA位于小鼠幼崽
3、的基因组内。这个证据再清楚不过了：他创造出历史上第一只转基因小鼠。虽然耶尼施证明了病毒可以被用来修改小鼠的基因组。341982年，帕尔米特和布林斯特在研究一个编码金属硫蛋白的基因，这种蛋白质可以结合铜、锌、镉等金属离子，有助于防止重金属中毒。金属硫蛋白基因本身可以被镉之类的金属启动，就像金属感受器一样。帕尔米特和布林斯特把金属硫蛋白基因的调节区域与编码大鼠生长激素的基因相拼接，把生成的基因构件注入小鼠的受精卵，再移植入雌性小鼠体内。结果发现，如果在后代小鼠的食物中加入镉，这些小鼠就会比正常小鼠大很多，因为外源的生长激素基因被永久地激活了。这表明大鼠基因不仅被传给了小鼠的后代，还完美地发挥了功能
4、。这是人类第一次通过实验产生能够传给下一代的遗传改变。35转基因技术不仅用于制造转基因动物，也被用来创造转基因植物，既用于基础研究，也用 于农业生产。转基因技术可以生产出能够抵抗病毒等感染原甚至昆虫的植物，也可以使农作物更耐农药。因而可以更有效地用农药消灭周围的杂草，还可以改变植物的外观、口味和营养成分。现在，转基因作物的生产范围很广，近期有研究称，世界上种植的农作物约有1/10是 转基因的。除了在农业中的运用，传统转基因技术也被用于人类的基因疗法。这类方法主要治疗缺乏正常的基因产物所引起的疾病。37在两个含有非常相似序列的DNA片段接触时会触发一种细胞机制使它们互相交换序列。 事实上，这种机
5、制是生物过程的核心，而如果没有这种过程，你和我都不可能存在。 这个过程就是有性繁殖。38虽然一说到性，我们通常会联想到一些身体行为和感觉，但对于演化来说，性的首要目的 是产生供自然选择作用的新性状。无性繁殖的生物也会产生新性状，比如细菌会产生对抗生素的抗性。这种改变是由突变产生，虽然概率可能只有百万分之一，但只需要有一个细菌产生对某种 抗生素的抗性，它就可以把这种性状传给后代。39突变也是包括人类在内的多细胞生物变异的根本来源，但它非常罕见。而且对于我们这样平均每25年才产生新一代个体的物种，突变发生得非常缓慢， 与不到一小时就可以把自己复制一次的细菌完全不同。但是，通过对父母的基因组里的遗传
6、物质进行混搭，有性繁殖可以在一代的时间里就 产生新性状。其中的原因，要从精子和卵子的形成说起。41虽然人体细胞一般每个基因都有两个拷贝，但精子和卵子都只有一个拷贝。这种减少拷贝数的过程是必要的，因为精子和卵子会结合而形成新生命，如果没有这个过 程，那么每形成一次后代，每个基因的拷贝数就要翻倍了。但是精子或卵子是从睾丸或卵巢中的干细胞发育而来的，干细胞中每个基因有两个拷贝， 一个来自母本基因组，一个来自父本基因组。在精子和卵子的发育过程中，母本和父本的染色体间发生了同源重组，交换相似的区域。42结果就是发育完成之后，每个精子或卵子都有一个独特的基因组。这就是为什么我们虽然与自己的兄弟姐妹有很多相
7、似点，但在外貌和性格上也可能与他们 非常不同。43同源重组的第二个重要功能是在DNA修复方面。从细菌到人类，生物都演化出修正DNA损伤的机制。同源重组也可以产生作用，因为发生双链断裂的序列可以利用未断裂的拷贝作为模板，用 同源重组的方式进行修复。44同源重组被用来精确修改胚胎干细胞中的基因，是由卡佩奇和史密斯两位科学家发现的。同源重组在这种细胞类型中发生的概率极低，但1989年，卡佩奇和史密斯各自开发出能 够选择出目标基因被成功改变的细胞的方法，即基因打靶。他们通过巧妙的药物选择，找出了百万分之一概率的同源重组事件，排除了基因构件整合 到基因组中随机位置的情况，而后面这种情况比同源重组发生的概
8、率要高得多。这个方法的关键在于选择带有新霉素的抗性基因（ne。R ）、而不带有自杀基因胸昔 激酶（tk ）的细胞。新霉素的抗性基因存在于用于打靶的基因构件之中，而胸苜激酶在同源重组中不会进入基 因组，只有在随机整合时才会。45基因打靶技术的开发给生物医学带来了革命，因为它使人们历史上第一次成功获得基因组 被精确修改的小鼠，可以将它用于研究。能够在小鼠基因中制造可预测、可设计的突变，为发育生物学、免疫学、神经生物学、生 理学和代谢研究带来了很多新的、深入的启示。46第一只由基因打靶技术产生的小鼠被称作敲除小鼠，因为经过改造，这种小鼠完全缺 失某个特定的基因产物。对敲除小鼠的研究现在是生物医学的常
9、规操作。47我们讨论了修改基因的两种主要手段：一种是把基因构件随机插入宿主细胞的基因组中，这种方法基本可以用于任何细胞，但它 在生物医学和农业中应用具有一定的局限性。因为它的效率较低，而且只是把一段DNA随机丢在基因组的某处。它只能提供把外源基因添加到基因组里的可能性，而不能修改已经存在的基因。48另一种修改基因的方法是使用胚胎干细胞，它的精确度要高得多了。我们看到，它可以被用来完全消除小鼠某个基因的功能，还可以引入更微小的改变，比如 制造致病突变，或者给基因的蛋白质产物加上荧光标记。这项技术的局限性不在于灵活性，而在于基因打靶的过程很复杂，必须先经过胚胎干细胞 的步骤，才能产生转基因鼠类。除
10、了小鼠，还有后来试验成功的大鼠和人类，我们还不能从其他哺乳动物中分离胚胎干细 胞，对其进行遗传修饰。49虽然从猪和羊等哺乳动物身上，人们曾经分离出与小鼠胚胎干细胞很多特性都很相似的细胞，但这些表面相似的细胞出于某种原因缺乏干细胞的多能性，难以产生这些物种的转基因动 物。50与这些传统遗传工程方法的局限性相对，基因组编辑技术的能力主要表现为5个关键的特 点。第一这项技术可以被实际用于任何动植物物种的任细胞类型从细菌到人都可以应用。第二，它可以精准作用于基因组的任何区域，既可以完全敲除某个基因，也可以进行微小 修改，引入某个突变或者荧光标记。第三基因打靶的效率极高，因此不需要复杂的药物选择来找出百
11、万分之一的概率的事件。第四，这种遗传工程方法不会在目标基因组中留下外源DNA的痕迹。 最后，最新的基因组编辑技术所使用的工具非常容易制备，只要一个科学家有基本的分子 生物学实验技能、试剂和仪器，就可以掌握这项技术。51这就是为什么全世界的实验室都在使用这项技术，无论它们研究的是细菌、植物、动物还 是体外培养的人类细胞。然而，从对生命的遗传修饰的角度来看，基因组编辑技术最具有革命性的方面在于，它很 容易应用于受精卵，即所有复杂的多细胞生命的源头。使用基因组编辑技术，我们现在可以在几个月内就繁育基因敲除或敲入小鼠，而使用胚胎 干细胞的方法则要花上几年。与胚胎干细胞方法不同的是，基因组编辑技术可以被
12、用于其他哺乳动物的受精卵中。52最近几年里，它已经被用来繁育转基因兔子、山羊、猪和猴。在植物中，基因组编辑技术已经培育出小麦、水稻、土豆、番茄等物种的改良版本。如今，创造转基因物种太容易，似乎注定会在医学和农业中掀起一场变革。53我们可以把这项技术想象成一把非常精准的“分子剪刀它能像限制酶一样准确地作用于一段DNA序列，但与限制酶不同的是，它还可以在活细 胞中使用。我们甚至不需要把基因组从生物中拿出来这就像往车里扔一个活塞，活塞自己就能找 到该去的位置。汽车的发动机还在转着，但它已经把原来的活塞替换好了。更重要的是，这把分子剪刀”不仅能够在特定位点切割基因，还可以引导其他工具，用 各种不同的方
13、式修改基因。54活细胞中DNA双螺旋的断裂使我们有可能在该处精确修改基因组，这一点是雅辛(Maria Jasin )和同事在20世纪90年代末首次发现的。雅辛的主要兴趣是理解DNA断裂在肿瘤形成中的作用。她当时在研究乳腺癌2号基因，这个基因在DNA修复中有重要的作用，它的突变会极大地 增加罹患乳腺癌和卵巢癌的风险，因为DNA断裂被修复的概率大大降低了。这项研究中有一点很有趣，他们发现正常细胞中的修复过程主要以两种方式进行：或是通过把断裂的两端连起来，或是通过同源重组来恢复正确的序列，而后者的准确性要 局多。这表明，如果可以找到一种方法在基因组的特定位置准确地制造断裂，细胞的修复机器就 有可能在
14、连接断裂两端的DNA时产生错误，从而导致这个基因的敲除。如果这时人为添加合适的DNA片段，细胞还可能会用这个片段替代原有的DNA产生敲 入”的遗传改变。唯一的问题是，当时还不知道有什么在特定序列处造成DNA断裂的方法。56事实上，获得这样的工具还要再过10年，是由钱德拉塞嘉兰和同事发现的。他们当时在研究一个叫FokI的蛋白，是一种限制性内切酶。研究清楚地表明，FokI可以被分成两个独立的结构区域，一个区域执行酶的切割工作，而另一个区域识别要切割的DNA序歹山钱德拉塞嘉兰意识到，既然两个区域有如此明确的划分，也许可以把FokI中有切割功能的 区域与另一种能识别基因组中不同位点的蛋白拼接。如果成功
15、的话，他们就创造出了一个可以作用于任何基因的切害！1工具。实现这个想法只需要在某种蛋白家族中找到可以识别各种各样DNA序列的蛋白，最后钱德 拉塞嘉兰在锌指蛋白中找到了它。锌指蛋白有调控基因的功能，它的得名是因为蛋白的核心处有锌离子，并且三维结构中有 长得像手指形状的部分。20世纪80年代已经可以修改像老鼠这样复杂生物的基因组了。5基因组编辑和过去人类驯化其他生物本质一样，都改变了生物的基因。6人类在驯化其他生物的方式是通过获取野生物种，然后改变它们的大小、样貌、行为和其他特征，但归根结底是通过改变它们的基因。虽然古人完成驯化时对遗传物质的基础一无所知。7人类从野草中创造出水稻和小麦，从野猪身上
16、创造出家猪。人类一次次的改变其他物种的基因组。8在人类还以狩猎为生、以部落生活为主的时候，人类便得到了一种特别的野生物种儿狼，它不仅改变了人类狩猎的能力,也演化成人类忠诚的伴侣狗，直至今日仍是如此。它们调控的基因是由类固醇激素控制的。类固醇激素是身体中的信使，它包括性激素中的睾酮和雌激素中调节怀孕的黄体酮，还有 受到压力时体内释放的皮质醇。这些激素起作用时会与一种特定的锌指蛋白结合，然后锌指蛋白会附到特定的目标基因上, 激活基因表达。让钱德拉塞嘉兰格外感兴趣的是，这类蛋白数目繁多，每个蛋白都能识别一段DNA序列， 这给了他一个灵感：把不同的锌指蛋白与FokI的DNA切割区域拼接起来，就能创造出
17、识别特异序列的DNA 切割酶。第一个ZFN （锌指核酸酶）就这样产生了。实验表明，这个杂种蛋白质确实有上面所说的能力。5758ZFN使得人们第一次能够对各种不同物种的基因组进行精准的遗传修饰。卡罗尔首次用这项技术在果蝇中修改了一个基因。卡罗尔说：它第一次表明我们可以在真正的生物中、在基因本来所在的基因组位点处击中一个真正的基因。59用基因组编辑技术来产生带有超强的智力或音乐、体育才能等我们想要的特征的定制婴 儿”就算有可能，也绝不是一件简单的事。60如果我们真的证明可以用基因组编辑技术，创造出为需要器官移植的人提供心脏、胰脏、肺、肝的猪，会怎么样呢？或者创造出能提供真正人类器官的猪人嵌合体？这
18、会不会意味着人类的生命会被极大地延长呢，因为一个人有任何关键的器官坏掉了，都 可以通过再做一次移植来解决，所需要的钱可能只比在肉店买几块猪排多一点儿？如果这种策略成为医学中的家常便饭，它会不会改变我们对人类生存意义的理解，还是说 这种获取备用器官的方式与装一个助听器或者心脏起搏器差不了多少？61当然，我们仍然还有那个问题，如果那个对于每个人都是独一无二的人类器官大脑衰竭了会怎么样。因为即使我们可以通过连续不断地移植遗传改造过的心脏、肝脏、肾脏和肺来极大地延长 人类的寿命,但如果没有复原脑的方法，这些东西可能都用处不大。其实我们可以把人工产生的神经元导入人的大脑脑，就可以修复大脑。62更换或复原
19、人类器官是一个人的生命在未来被彻底改变的方式之一。但是，基因组编辑技术是否也会有一天使人类能够获得一些从动物界其他物种中借来的全 新性状？比如，一个人是否可以获得像狗一样灵敏探测气味的能力，猫的夜视能力，甚至海豚长时 间潜水的能力？这里有一个潜在的问题，因为生物的这些特性都是花了几百万年的时间演化出来的，并且 穿插在其他的演化改变之间，所有的改变组合在一起才形成了每个物种独有的特征。现在我们完全不清楚这些特性是否能在人类中设计出来，并且正常发挥功能，而不会对人 体其他部位造成有害影响。63还有另一种可能性，我们也许可以通过电子装置让一个人获得这些能力。这种方法很可能要把电子装置和（也许是）用个
20、人化的iPS细胞所产生的组织一起移植到 人体内。无论采用哪种方法，这是否意味着，在未来，人类可能会经历一个多样化的过程，未来的每个人都会有非常不同的特征，而这些特征取决于哪个动物特性吸引了他们？未来的人是否会有一种比定制婴儿更激进的态度，会决定通过改造试管婴儿，来转变自己 未来出生的小孩？65电子工程和生物工程的融合又给我们带来了第三种可能性：给培养皿中长出的人脑接上感官输入，让它能够探测外界信息，还可能进行学习，然后用 它作为电脑或机器人的控制装置。虽然这个情节可能听上去就像一部糟糕的恐怖片中的阴谋，但用iPS细胞培养人脑的最新 进展，意味着我们不能再把这种可能性当作纯粹的幻想。当然，用这种
21、方式训练人脑会产生很多伦理问题，但让我们来想象一下，如果这种实验真 的发生了会怎么样。这种人脑与外部世界互动的本质是什么？它会把自己看作人类吗？那它对于自己以这种方式被困在机器里会做何感想？66在未来的某一天，人们是否有可能把不同的器官组合在一起，产生一个人造人?野生的狼变成人类忠诚的伙伴，狼崽在人类社会中长大了。狼崽成年以后，最终可能会因为对人类具有攻击性而不能留在聚居地。然而，假设这样的情形连续发生在数只性情不同的狼身上，渐渐地，通过自然选择，最适应人类社会的狼就会留在聚居地，与住在那里的同样被驯服的动物繁衍后代。在从狼到狗的演化中发生了很多复杂的变化，既有行为上的，也有身体上的。10现在
22、我们逐渐开始理解像水稻、玉米、小麦，其实，所有这些谷物都是草的变种，这些不同种类的植物都由人工选择产生。111953年，沃森和克里克发现了著名的DNA双 螺旋结构，这个重要的发现也直接揭示了这个生命的分子自我复制的方式。12当双螺旋的两条链解开时，核甘酸作为DNA分子的基本组成单位,在DNA聚合酶的作用下组装成新链，也就是原链的镜像拷贝。13DNA复制的过程高度精确,但偶尔也会出错。基因突变是指DNA分子发生的突然的、可遗传的变异现象。基因突变可使人患上癌症和多种遗传疾病。14基因突变的原因(1)外因：物理因素：X射线、激光、紫外线、伽马射线等。化学因素：亚硝酸、黄曲霉素、碱基类似物等。生物因
23、素：某些病毒和细菌等。(2)内因：DNA复制过程中，基因内部的脱氧核苗酸的数量、顺序、种类发生了局部改变从而改变了 遗传信息。为了对抗突变不论因为辐射、化学损伤还是复制过程的突变,从细菌到人类的各种生物都会采用多种机制修复DNAODNA的修复非常重要，缺失这种机制会导致不幸的遗传病。16虽然很多人都知道疾病和基因突变之间的关系，但没有意识到，如果没有突变，人类及地球上其他物种都不会存在。因为基因突变也是生物进化的重要因素之一，没有基因突变古猿就不能进化成现在的人类。17其中的道理，还要回到达尔文的自然选择学说。达尔文曾提出，演化的发生是由于种群中某些个体更适应在特定环境下存活、繁殖。我们现在知
24、道，这些个体差异就是来自DNA中的突变，而自然选择保证了这些提高个体存活率的突变传遍整个种群，最终形成新的物种。18达尔文从未发现遗传的物质基础。孟德尔在19世纪60年代通过研究豌豆, 首次提出生物的可遗传特性是通过离散的“因子传递的，也就是我们今天所说的基因。191953年，剑桥大学的沃森和克里克发现DNA的双螺旋结构。不仅DNA分子的复制机制得以揭晓，随后的研究还发现了 DNA如何编码蛋白质。20遗传的蓝图一一DNA ,可以被看作由4个字母组成的长字符串A、C、G、T , 它们分别代表腺瞟岭、胞口密嚏、鸟瞟岭、胸腺喀口定。这4个字母不是随机排列的，而是三个一组的精确排序，每组都编码一个特定
25、的氨基酸，也就是组成蛋白质的基本单位。由4个DNA字母组成的线性代码就可以先转录为RNA （核糖核酸），然后翻译 为蛋白质。蛋白质也是线性分子，由20种不同的氨基酸组成。21与具有固定双螺旋结构的DNA不同，每种蛋白质会根据自己的氨基酸序列折叠出独特的三维结构。正是由于蛋白质有各种不同的形状和大小，它们才能承担细胞中不同的角色。作为细胞的建筑材料、马达和运输载体，蛋白质还有其他很多功能。遗传密码，也就是DNA的字母顺序与蛋白质中氨基酸的对应关系。22我们可以把DNA比作一本书、一段程序，生物是根据这段程序来创造的，也是按照这段程序员来执行的，其中碱基（AGCT）的排列顺序决定了这种生物的所有特
26、性和行为。23RNA和DNA相似，RNA的作用是按照AGCT的排列顺序来制造蛋白质。蛋白质是生命的物质基础，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。24可以把DNA比作一套程序，RNA比作许许多多的机械手臂，这个RNA机械手臂是按照DNA这套程序的指令来制造蛋白质的，蛋白质是组成人身体的最基本物质。25就像人类可以被病毒感染一样，细菌也有自己要抵御的病毒，叫作噬菌体。跟我们的免疫系统抵御感染源一样，细菌也有自己的微型免疫系统。1970年史密斯发现细菌会产生具有催化能力的限制酶，限制酶可以识别入侵的病毒基因组中特定的DNA序列，并在这个位点把DNA切断。每个细菌物种会产生一套自己独特的切
27、割酶，酶的数量从一个到多个不等。26很多不同的细菌物种都会产生自己独特的限制酶，也有各自不同的限制酶切位点。有了各种各样的限制酶，我们就可以在任意位置切开DNAO纳森斯首次用从流感嗜血杆菌中纯化出来的限制性内切酶Hindus HindHI,把猴病毒40切成了 11个片段，由此创造了第一个酶图谱。27盖勒特和莱曼发现了另一种酶，可以把两个DNA片段连在一起，叫DNA连接酶。通过使用限制酶和DNA连接酶，人们终于可以在试管里剪切和粘贴DNA序列了。最初，人们还不清楚如何使用这些新技术来修改活体生物的基因，因为如果把限制酶导入细胞，它就会在多个位点切割基因组，从而杀死细胞。281972年，博耶和科恩
28、在一次会后一起讨论。博耶讲到他对限制酶的精确切割机制的研究,科恩则讨论一种叫质粒的环形DNA ,质粒会进入细菌内利用宿主细胞的DNA复制机器 来实现自身的传播。两位科学家意识到，可以用质粒把任意物种的基因运输到细菌细胞里，它们不仅可以与宿主细胞的基因组一起复制，还可以表达出有功能的蛋白质。一切只需要用限制酶切开目标基因和一个质粒，再用DNA连接酶把它们连在一起，最后把得到的基因构件导入细菌中。最后一步，科恩用热激的方法让细菌摄入DNA ,从而实现了这个过程。29科恩和博耶首次证实重组DNA技术的可行性，是通过表明可以把来自两个不同质粒的 DNA拼在一起，并在细菌中增殖这个构件。意思就是把两段分开的DNA连接在一起，然后把这段DNA放入活的细菌中，当这个细菌繁殖复制自己时，这个细菌体内的这段DNA也被复制了。30把基因转入细菌就是这样了，但操纵复杂的多细胞生物的基因组又将如何呢？1974年，这样的转基因生物转基因小鼠被耶尼施创造出来,