《新科学家》专访张锋,纵论基因编辑技术

基因编辑技术不仅能攻克疾病,还能对抗饥荒,甚至气候变化问题。


张锋

毫不夸张地说,张锋是当今最具开创性的科学家之一。在他二三十岁的时候,他在两项革命性的技术中居功至伟。第一项技术是光遗传学,将基因插入到脑细胞中,用光照射插入的基因,将其开启或关闭。这项技术帮助我们了解大脑是如何工作的,并正用于探索一些神经疾病的潜在治疗方法。

第二种技术是CRISPR,这是一种基因编辑技术,有望为无数疾病提供治疗方法。

如今,张锋在马萨诸塞州的麦戈文大脑研究所(McGovern Institute for Brain Research)和布罗德研究所(Broad Institute)同时任职,并经常被认为是未来的诺贝尔奖得主(译者注:2020年诺贝尔生理学或医学奖颁发给CRISPR项目,张锋遗憾榜上无名。)。

然而,强大的工具可以以不同的方式使用,以CRISPR而言,一些发展令人担忧。两年前,生物物理学家贺建奎因使用CRISPR对人类胚胎进行基因编辑而受到广泛批评,并最终被判入狱。包括张锋在内的许多科学家都认为贺建奎的行为违反了伦理规范。

张锋还卷入了一场CRISPR专利归属权纠纷。其他科学家首先公布了这项技术的细节,但张锋是将这项技术用在人类细胞中的第一人。

《新科学家》专访张锋,不避争议,坦陈CRISPR的未来前景。张锋对CRISPR技术的未来很乐观,这项技术近期可能有助于我们对抗新冠病毒,长远看来,其应用范围可能会远远超出医学范畴。

以下为专访实录,黑体字为《新科学家》的提问,正体字为张锋的回答。

《新科学家》:CRISPR目前最有希望的应用是什么?
张锋:最诱人的可能应用之一是用来纠正DNA序列,这样我们就可以恢复基因的正确序列以治疗疾病。我和其他几位同事共同成立了初创企业Editas Medicine,今年早些时候,该公司开始使用CRISPR进行人体试验,探索治疗一种罕见的遗传性眼病——莱伯先天性黑内障(Leber congenital amaurosis)。一种携带CRISPR工具的无害病毒被注射到眼睛中,将有缺陷的基因恢复正常功能。

另一家名为CRISPR Therapeutics的公司一直在使用CRISPR技术治疗地中海贫血症(beta thalassaemia)患者。地中海贫血症是一种血液中血红蛋白含量低的疾病。他们发现一名病人经过治疗之后效果非常好,不再需要输血。

因为你可以使用CRISPR一次针对人类细胞中的许多基因,科学家们用它来筛选出参与特定疾病过程的基因。然后我们也可以编辑这些基因。


CRISPR是存在于细菌中的一种基因,可用于准确且有效地编辑生命体内的部分基因。

所以CRISPR已经显示出了光明的前途,对此,你有什么感想?
能有幸为一项对人类生活产生巨大影响的技术贡献一份力量,感到非常兴奋,但这也让我意识到,我们还有很多事情要做。CRISPR技术初出茅庐便展现出光明的前景,这激励我再接再厉。

在这些疗法获得批准之前需要做些什么?
我们需要让CRISPR更高效、更精确。CRISPR有一个风险,它不仅会编辑您想要的内容,还会随机地编辑其他内容。我们开始在工程上实现新版CRISPR技术,可以更精准地编辑基因。我们还需要开发一些工具,丰富改变基因组的方式,并以不同的方式影响基因的作用方式。我们也在研究传递CRISPR酶的新方法。我们已经从金黄色葡萄球菌中开发了一种蛋白质,它比我们报道的第一个CRISPR系统小得多。蛋白质越小就越容易将其放入细胞内。我们已经发现,这个系统可以有效地编辑老鼠的基因。

您对治疗什么疾病有特别的兴趣?

我从大学时代起就对精神病症感兴趣,这些疾病使我一些同学身受其害。CRISPR已经被用来研究精神疾病是如何影响大脑的,如何开发出更有效的治疗方法。但是所有的疾病都很重要。各种疾病都以不同的方式影响着人们的身心健康。就对患者生活的负面影响而言,各种疾病都是一样的——都是对生活质量的消耗。这就是为什么我专注于开发平台式基因编辑技术——一个技术,多种用途。

你卷入了一场关于CRISPR的专利纠纷。只要这项技术被用于有益的用途,谁拥有这项技术的专利权重要吗?

重要的是,这项技术要安全、负责任地开发,并以人人都受益的方式分享。专利权人有特权和义务确保技术对外完全公开。布罗德研究所将继续这样做。

你认为接下来的突破会是什么?
疾病治疗方面将会涌现许多令人兴奋的应用。细胞疗法——临床医生从病人体内取出细胞,进行修复,然后再放回去——有很大的潜力。将CRISPR与干细胞等其他技术结合起来,可能会展现特别强大的威力。这些方法在未来可以应用于各种各样的疾病,从血液疾病到肝脏、肌肉和脑部疾病。

一种可能的方法是利用干细胞来获取小胶质细胞,小胶质细胞是对抗感染和损伤的脑细胞。这些细胞经改造之后,可恢复或引入基因,然后移植到病人身上,常驻在大脑中,并治疗疾病。从长远来看,我们可以用这种方法治疗神经退行性疾病。


贺建奎,曾任南方科技大学副教授,2018年因CRISPR“基因编辑婴儿”事件引发学术界和社会伦理的诸多争议与指责。2019年被判三年有期徒刑。

这项技术有什么用途让你担心吗?
绝对有。CRISPR用于编辑人类胚胎最令我忧虑。一年多前,有科学家用CRISPR技术编辑了两个人类胚胎,创造了两个转基因婴儿。我认为这突破了伦理大忌。这次事件前后,如何规范这项技术,一直热议不休。

我们应该怎么做呢?

我参与了一些关于这个问题的讨论会,但是世界是复杂的。各国都有自己的伦理、文化或管理体系。这意味着我们必须通过国际合作达成共识。在我们达成共识之前,人们必须了解技术的潜在影响。这项技术还处于起步阶段,对于它的性能和安全性,我们还没有完全掌握。搞技术大跃进,将这一技术应用于改良人类胚胎,可能会产生意想不到的后果。最重要的是,我们连很多疾病的生物机制都还不了解,所以,即使这项技术达到完美的程度,想编哪里编哪里,我们也不知道该对基因组做什么编辑,能达到我们想要的效果,正因为如此,我们还不能使用CRISPR来治疗阿尔茨海默氏症或癌症。连授权施行这项技术,也有错综复杂的问题。谁有权力授权施行基因编辑技术?这些技术的可供使用的话,将如何影响人类未来的发展?当人们想到改变基因组时,他们通常会想到基因增强。许许多多的反乌托邦科幻小说一再告诉我们,这样的社会非常可怕。

你认为10年后的基因编辑技术会是什么样子?

10年后,基因编辑技术很可能已用于治疗很多高发疾病,比如癌症甚至是脑部疾病。我感觉到那时,基因编辑技术还将被用于医学以外的领域,例如农业领域,培育出更多的抗旱高产作物,以应对全球饥荒。10年后,我们可能已用CRISPR实现了生物计算机。10年后,CRISPR可能也为应对气候变化贡献一份力量。

应对气候变化?

一些科学家正在研究如何使用CRISPR来改造植物,让它们能够吸收更多的碳。还有一些科学家正在寻找方法,来设计制造快速生长的细胞,如蓝藻细菌,使它们更快地吸收和储存碳。这些是解决气候问题的一些初步想法。我相信人们会运用他们的创造力,想出更多的点子。

我们不能忽视气候,但我们眼下要应对一场大流行病。CRISPR能帮上忙吗?

我的团队花了很多时间开发基于CRISPR的诊断方法。抗击新冠病毒大流行,很重要的一件事就是,能够在更多地方更迅速地对更多的人进行检测。所以我们一直在研究一种叫做STOPcovid反应的东西。基于CRISPR的测试方法的主要优势是,它不需要复杂的实验室设备——你只需要一个60℃的水浴。把样品瓶放入水浴中,然后浸没入试纸并得到结果,整个过程不到一个小时。


张锋团队研发的检测新冠病毒的STOPcovid示意图

投入实际应用还有多久?

我参与创立的另一家名为Sherlock Biosciences的公司,也在开发类似的基于CRISPR的技术,用于检测冠状病毒。今年5月,它获得了美国食品和药品管理局(FDA)的紧急使用许可。所以现在美国临床实验室可以开始使用这种技术来检测冠状病毒,这将有助于扩大我们的检测能力。

我的实验室还向世界各地分发了STOPcovid检测套件。我们在泰国的一位合作伙伴获得了泰国政府的批准,可以在他所在的医院中使用该套件,并将用于筛查接受手术的病人中的新冠病毒感染者,这样他们就可以更好地对病毒检测呈阳性的人进行分诊和隔离。


光遗传学艺术图

你还参与了另一项突破性的发现——光遗传学。科学创新上梅开二度,你的秘诀是什么?

我总是对事物的运作方式或者事物不按照预料的方式运作感到好奇。每当我思考或读到一些东西的时候,我就会想到这些问题。我总是反复检查我感兴趣的科学问题,看看是否能建立新的联系。

我所做的另一件事是观察大自然,大自然做到的事情远超我们的想象。CRISPR蛋白就是一个例子,是自然界在数十亿年的进化过程中创造出来的,应用之广泛令人惊奇。

此外,在我成长的过程中,我的父母总是告诉我,要做个有用的人,不要浪费时间。这可能也是原因之一。

本文经编辑后,发表于微信公众号世界科学。

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