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基因工程大突破!移除胚胎遗传性疾病基因再也不是梦?

美国科学家利用CRISPR-Cas9技术,首度成功修复人类胚胎的遗传性疾病基因,成功率大幅提高至72.4%,这项研究成果于今年八月二日发表在《自然》期刊,可说是基因编辑技术进展的里程碑,不过要将这项技术应用于临床治疗,还需要更多的实验测试才能确定不会有罕见的错误发生。

图/ZEISS Microscopy @Flickr

利用CRISPR-Cas9 修正胚胎中的遗传性疾病基因

带领研究团队的通训作者,也是《自然》杂志评选的2013年度十大科学家──美国奥勒冈健康与科学大学的米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)教授,再一次为世界带来划时代的研究。他曾以开发出极受争议的粒线体置换疗法(也就是常听到的三亲婴儿)和利用人类皮肤细胞培养出干细胞而闻名于世,这次他的团队的惊世之作,则是将目前超夯的基因编辑技术── CRISPR-Cas9 ──直接注射入胚胎,成功修正遗传性疾病基因。

研究团队选择用来测试的,是常见的遗传性心脏病──肥厚心肌症(Hypertrophic cardiomyopathy, HCM)的基因,这个疾病平均每500人就有一人患病,而且通常不会在年幼时发病,因此带有这个遗传性疾病的基因并没有因为天择而消失,好发于中年人以及年轻运动员。

研究人员为了测试这个方法是否能够将遗传性疾病基因修正,他们将CRISPR-Cas9 注射到带有一套正常基因和一套疾病基因的受精卵中,看看最后胚胎是否能成功被修正成不带疾病基因。

实验室将正常基因的卵子,以及带有疾病基因的精子,进行体外人工授精,并且在不同的时间注射CRISPR-Cas9 (「受精前(和精子一起注射)」和「受精后18小时」)。当CRISPR-Cas9 注射之后,它会辨认出疾病基因,并将该段疾病基因剪切成DNA双股断裂,再交由细胞本身的DNA修补机制将DNA修复完成。

他们发现在「受精后」才将CRISPR-Cas9注射的话,因为受精卵已经开始进行细胞分裂,所以无法有效的修复胚胎内所有的细胞,使得部分胚胎内含有不同基因组的细胞(如下图上排最右边,蓝色是正常细胞,褐色是仍含有疾病基因的细胞),而形成镶嵌式胚胎(Mosaic embryo),或者是完全没有被修复,胚胎内仍然具有基因缺陷。成功被修复的比例约66.7%(36/54)。

如果在「受精前」将精子、CRISPR-Cas9 和正常基因片段一起注射,就能在DNA 开始复制前进行修复,获得较佳的修复结果。研究人员分析发现,所有的胚胎都进行了基因修复的步骤,72.4%的胚胎修复成功(42/58),剩下其他的胚胎则是正确辨认疾病基因的位置,但修复失败了。

图/Ma et al., Nature

研究团队还发现,在使用这个基因修正的方法时,胚胎会使用本身的DNA进行修复,而非研究人员额外加入的DNA片段,意思是在胚胎发育初期,只会根据原本就存在于细胞中的基因进行修正,而不会使用外来的基因片段。这和他们一开始预期的不同,显示胚胎在发育的早期修复DNA的机制可能和后期所使用的不太一样。

同时为了要检验CRISPR-Cas9 在运作时,是否错误的处理到其他基因,造成了不必要的突变(这种突变称为「脱靶突变off-targeting mutation」),他们也做了胚胎的全基因组定序。他们发现在所有正常基因的细胞里面,完全没有这样的现象发生,这也显示了这个基因修正方法的可行性与稳定性大大的提高。

技术突破使成功率大增,但仍需要更多实验确认安全性

这项研究是由米塔利波夫的团队联合南韩与中国的团队共同进行。虽然在他们发表之前,还有另外三个中国团队也发表过使用CRISPR-Cas9来修正胚胎基因的研究,但他们这项研究的重要性,在于首次有这么高的成功率,能直接对人类胚胎进行基因工程修正遗传性疾病基因,并且大大减少了镶嵌式胚胎的数量,以及CRISPR-Cas9常被质疑的问题:脱靶突变的现象,也没有被侦测到。

虽然成功率目前只有72%,不过米塔利波夫对此有信心可以藉由调整实验条件来达到成功率90%以上。尽管如此,仍然要谨慎面对这项技术,这样的技术算是生殖细胞工程(Germline engineering),会使得修正后的基因能够传到后代子孙,如果失败的话,将导致突变或疾病基因代代相传,研究中的实验数据量也只有五十几,还需要更多的实验才能确定不会有罕见的错误发生

设计出你的理想宝宝?还有很长一段路要走

未来想要设计出你的理想宝宝,会像现在选择游戏角色造型一样简单吗?图/Wiki

有人说:这个胚胎基因编辑技术成功后,「设计婴儿」就指日可待了。《自然》期刊的评论员Heidi Ledford在Nature Podcast的访问中表示,这样的想法是个「滑坡谬误」。这个利用CRISPR-Cas9修正胚胎基因的方法,只能将有问题的部分修改成原本就已经存在的基因序列(例如实验中父方的疾病基因被修正为母方的正常基因),无法说我选择要这样的眼睛、这样的鼻子、或者超高IQ,然后提供一段基因片段,就把你的「完美宝宝」制造出来,这个方法做不到,而且技术上还有很多困难要克服,还有很长的一段路要走。而这大概也是通讯作者米塔利波夫坚持使用「基因修正(correction)」来描述他们的方法,而非使用「基因编辑(editing)」的原因。

麻省理工学院的一位癌症研究学者Richard Hynes 认为,一旦胚胎基因修正技术的困难被克服,那我们就需要开始思考与讨论这项技术对社会的影响,以及该如何立法规范这种技术的使用。而这篇堪称里程碑的研究,就是告诉我们,是时候该开始讨论了。

参考资料:

Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos, Nature (2017), Hong Ma et al., doi:10.1038/nature23305
Biotechnology: At the heart of gene edits in human embryos, Nature | News & Views (2017), Nerges Winblad & Fredrik Lanner, doi:10.1038/nature23533
CRISPR fixes disease gene in viable human embryos, Nature | News (2017), Heidi Ledford, doi:10.1038/nature.2017.22382
In Breakthrough, Scientists Edit a Dangerous Mutation From Genes in Human Embryos , New York Times
Deadly gene mutations removed from human embryos in landmark study , The Guardian
First Human Embryos Edited in US – MIT Technology Review, July 26, 2017
延伸阅读:

打造完美宝宝,工业技术与资讯月刊285期2015年07月号
「DNA编辑大师」张锋与CRISPR / Cas9 / Cas9基因编辑技术 – PanSci泛科学
《自然》杂志2013年度十大人物 – PanSci泛科学
CRISPR发展之英雄榜 –科学Online

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