揭秘基因编辑与基因治疗

众所周知，目前人类许多疾病都来源于基因缺陷，如先天性遗传性疾病、某些恶性肿瘤等，此类基因疾病往往是天生的、罕有的，甚至没有相关药物治疗。这类疾病将来有没有可能得到根治？生命科学领域最火爆的基因编辑技术，为我们给出了肯定的回答：基因编辑与基因治疗为彻底治愈先天性遗传病、肿瘤、艾滋病及其他恶性疾病开辟了全新的路径。
什么是基因编辑技术？多数人的知识基础仅限于知道 DNA 双螺旋结构这个层次，所以笔者不自量力来解说一下这种火爆的技术，以及近期进展神速的基因治疗，希望能对基因编辑与基因治疗感兴趣的读者有所启发。
基因编辑如同word文档
1866年，一位名叫孟德尔的奥地利学者在进行豌豆杂交试验时，发现一些可以遗传母代特征的因子，它们决定了豌豆表皮是光滑的还是褶皱的，为黄色还是绿色。至此，人类踏上了探索基因的旅途。在这漫长的150年中，科学家认识到基因的结构、突变、化学成分、功能……基因对于生物来说就像是大自然谱写的代码，在DNA不朽的双螺旋结构中，它们神奇的排列组合造就了今日独具特色的个体。
人类的DNA是一个长长的双螺旋链条，如同一把扭曲的梯子，又类似一本厚厚的书，基因便是嵌在上面的字母（A、T、C、G）。这些字母经过排列组合，形成特定的基因片段，这些片段决定了我们的特征——身高、瞳孔颜色甚至是寿命。但是有些基因的排列会发生“错误”，它让我们很容易患上某种严重的疾病，因此科学家们尝试通过基因编辑来纠正有缺陷的基因，如同作家润饰一篇文章中的败笔。
基因编辑，就像在word文档中修改一两个词语，我们需要通过查找工具锁定这些词语的位置，选中，删除，接着在同样的地方输入我们想要的内容，最后点击“保存”按钮，便完成了词语的修改。同样地，科学家们利用一些蛋白质（如锌指蛋白、TALE 蛋白）或者RNA来搜索目标基因组，锁定“有问题”的那段基因，然后利用核酸内切酶等手段进行切割，形成DNA双链断裂。若DNA链中出现某个缺口，细胞本身天然修复机制会尽力修复它，但也可以由科学家们复制理想中的基因片段，将它们连接到断开的DNA链之间。这样，基因编辑基本就完成。以上过程不难理解，基因编辑核心步骤有3个主要环节——
1.“GPS”：基因编辑首先要精确识别目标DNA片段中的靶点——核苷酸序列，即锁定“有问题”的那段基因，能够“指哪打哪”。这样就需要有特异识别目标DNA的 “GPS”来引导，让基因编辑工具可以快速而准确地定位想要编辑的位点。
2.“剪刀”：在 GPS导航下完成定位以后，就需要有一把剪刀来切断DNA双链，形成切口，这把剪刀就是各种各样DNA核酸酶。
3.“针线”：如前所述，剪开切口之后，无论是敲除、插入还是置换，随后都需要再把切口“缝上”，这个过程是由细胞内天然存在的DNA双链断裂修复机制来实现，或者植入由科学家们复制的理想基因片段。

基因治疗的3种方式
对于由基因突变引起的疾病（特别是单基因疾病），一个很容易想到的治疗方法就是将致病基因替换掉或者向体内补充健康基因。类似的治疗早在1990年代就已经比较广泛地开展尝试，然而在缺少精确基因编辑手段且对病毒等载体研究不够充分的年代，因免疫排斥反应以及脱靶导致癌变等重大事故频发，使得基因治疗一度从高峰陷入低谷。随着基因编辑和病毒转染技术（特别是AAV）的逐渐成熟，近十年来基因治疗又开始逐渐回暖，似乎已经到了开花结果的时候。
如今，对于因为基因突变而引发的疾病，基因治疗有下述3种方式——
1.体外编辑
体内细胞既然因为突变而丧失功能甚至癌变，那么一个简单的方法就是把细胞在体外“修好”再回输到体内，就可以修复原先受损的功能。最典型的例子就是近几年火爆的 CAR-T 技术（体外用病毒转染T细胞，使其具备识别肿瘤表面某些特异性蛋白的功能），以及体外编辑干细胞等。这种方法好处是可控，毕竟编辑发生在体外，编辑完可以筛选，改得好就拿到体内用，改得不好还可以扔，不太容易出问题；坏处是在致病机制复杂或者研究不够深入的情况下效果一般。如CAR-T技术，目前只对血液瘤效果好，就是因为血液瘤微环境比较简单；而干细胞治疗之所以进展不大，就是因为干细胞相关疾病的微环境往往很复杂，改造干细胞回输体内之后并不能发挥预想的作用。
2.体内游离DNA表达
对于某些因为基因突变而导致一些特定蛋白缺乏所引起的疾病（比如莱伯氏先天性黑蒙症、血友病），一个直接的思路就是把可以表达相关蛋白的基因“种”到体内，但不“种”到基因组中，而是游离在细胞质中进行表达，最典型的就是目前已经获批的几种病毒转染基因疗法（如FDA批准的治疗遗传性眼疾的基因药物“Luxturna”）。这种方式好处是相对安全，毕竟改变基因组往往是不可逆的，万一出现危险的脱靶后果就比较严重（这也是上世纪90年代后期出现多个死亡案例的原因）。坏处主要有二：一个是游离的病毒DNA还是有概率插入到正常基因组中，而这种插入是没有定位的是随机的；另一个是可能会随着细胞分裂逐渐消耗掉，不像基因组中DNA那样在分裂中有稳定复制，其治疗可能不够长效。
3.体内基因组编辑
这应该是基因治疗方法中最被寄予厚望的，即用基因编辑技术直接在体内对突变的目标DNA 进行修改，消除致病基因，恢复机体功能。这种方法好处是有可能根治疾病，比如，亨特氏综合征或A型血友病患者，就是体内无法正常表达艾杜糖醛酸盐-2-硫酸酯酶（IDS）或凝血八因子，那么把IDS或八因子基因插入到基因组中，就有可能终身都能正常表达；坏处上面说过了，安全性是最大的疑虑。
整体而言，基因编辑及其治疗都是前景巨大的技术，也是未来最重要的生物领域发展趋势，科学和商业价值都不可限量，但同时我们也不应忽视目前存在的巨大隐忧和局限性。所以，无论是“基因编辑技术将彻底治愈癌症”，还是“基因治疗危险性巨大”，这两类极端言论都有失公允。

       文章来源：允咨生物GMP学苑

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