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西湖大学科学家们在试验:打一针就能替换体内致病基因……

在西湖大学3号楼4楼的细胞间里,张恒正手持移液器屏息凝神,他的面前是一份仅0.5毫升的培养液,里面装着小鼠A的造血干细胞。

在接下来的5分钟里,张恒往这一丁点橙色透明的细胞悬液中,小心地加入一套基因编辑体系(悬混液),再将混合好的悬液转移至一只1厘米见方的电转杯里。电转仪启动,眨眼的工夫,悬液中发生了一种奇妙又关键的变化——基因编辑体系成功进入了造血干细胞。

直至将电转后的细胞液送入孵箱孵育,张恒才长出一口气。

如果一切进展顺利,张恒需要将成功编辑好的造血干细胞制作成针剂,通过小鼠A的尾巴输回体内,希望通过这一针修复它的先天性基因缺陷……倘若这套技术在小鼠身上能够成功,离人体临床试验也就更近了一步。

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在极微小的细胞层面操作,是张恒的工作常态。上图为他将上百颗小鼠的受精卵置于工作液中。朱丹阳 摄

张恒是西湖大学PI马丽佳(特聘研究员、博导)实验室的基因编辑技术负责人之一。马丽佳博士和她的团队正在搭建一个基因编辑的创新技术开发平台,全方位优化改进CRISPR——一种新的基因编辑技术,筛选开发出更多的对症基因治疗方案,同时使这项技术可以更精准、更安全地在人体内发挥作用。

由于基因编辑的技术壁垒较高,目前国内外专注这一技术的团队几乎都由高校或科研机构的教授团队主导。马丽佳实验室也围绕这一创新技术开发平台,设立了西湖云谷智药(杭州)基因科技有限公司,并于近期完成了数千万元的天使轮融资。

送进身体里的GPS与手术刀

每个人的基因组都是独此一份的特殊存在,是我之所以是我、而不是其他任何人的独特编码。如果我们将每个人的基因组都看作一本书,书中的篇章词句就是大大小小的基因片段,是它们在讲述着生命体从出生、生长发育到死亡的所有故事。

当基因片段出现错误,人就会生病。过去,能够无障碍阅读这本“基因书”就是很了不起的事情了,但今天的科学家们已经可以运用CRISPR技术,去纠正书中出现的错误。

因此,在介绍马丽佳实验室的这项创新的工作之前,我们有必要先来讲讲CRISPR。

CRISPR,是基因编辑技术的其中一种,相比早前另外两种基因编辑技术TALEN和ZFN,CRISPR更灵活易用,同时具有高精度和低成本等优点。

这些优点,得益于两个关键“人物”——一个叫gRNA,一个叫Cas9。

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gRNA,也叫guide RNA(向导RNA),顾名思义就像GPS导航。回到人体这本“基因书”里,gRNA的职责就是在浩如烟海的文字中找到出错的地方,然后规划出路线;而Cas9,是一种核酸内切酶,记住其中的“切”字,因为它就像一把剪刀或手术刀,沿着gRNA规划好的路线抵达出错地点,然后一刀切下去,移除错误的基因片段。这也是为什么很多人称基因编辑为“基因魔剪”。

看到这里,也许你会产生一个疑问:切掉了错误的,那怎么把正确的填进去? 

有一种方式,针对某个出错的基因片段,科学家会让gRNA带一段正确的序列到体内,作为标准答案或模板,当Cas9把错误的基因片段去除后,分子机器逆转录酶会依样画葫芦,照着答案模板抄一份对的放回原位。

而另一种方式,则是由科学家在体外合成一段正确的DNA,作为正确答案本身填入Cas9切开的位置。

第一步,找到并抵达错误的片段;第二步,切掉错误的片段;第三步,照搬答案或抄一份答案,恢复为正确的片段——简单来讲,这就是基因的“编辑”。

越精准,越安全

理论上,只要知道错误的靶点、正确的答案以及这一套编辑工具,数千种由于基因出错导致的遗传疾病都可以找到治愈的办法。但从理论到临床,是一个无比复杂的系统性工程,之前讲的三个步骤所涉及的技术都大有讲究。只有三步都做得非常好,才能系统、精准地把出错的基因编辑好。

而马丽佳实验室的基因编辑创新技术开发平台,干的就是“各个击破”这件事。

首先,找到更先进的GPS导航。假设我们已知某一处基因片段出错需要通过编辑来修正,实际操作时往往需要在一定的坐标范围内选择“一刀切”的下刀位置。如果gRNA足够优秀,它就可以规划出一条最优路线:比如,选择哪个点下刀,既可以准确切除错误片段,又不会误伤沿途其他的基因;又比如,能够从极其相似的两个或几个目的地中,辨认出真正需要执行编辑任务的那一个。

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然后,磨出快刀利刃。这一点比较容易理解:刀钝,一刀下去拖泥带水,要么没切干净,要么把不该切的也拉扯下来,既不精准也不安全。而如果刀快,一刀下去干脆利落,只切该切的地方,才是基因编辑的理想工具。

此时,如果配上一套动力和安全性都上乘的“递送系统”,就完整了。当导航、手术刀和正确答案都准备就绪,这些执行编辑工作的关键人物,需要被护送进入人体并直达目的地。而这看似最平平无奇的一步,在马丽佳看来,反而是整个基因编辑的系统里相对较难的一部分。

“假设我们想要编辑肝脏细胞的DNA,但又没办法直接将gRNA和Cas9‘塞’进肝脏细胞里,多数时候我们是将gRNA和Cas9‘打包’在一个针剂里,然后通过注射的方式输进人体内。”马丽佳解释,“但这团复合物从针头位置开始往前跑,如果没有保护,gRNA导航这个外来物,在路上难免会遭到免疫系统的攻击。”

我们可以把“递送系统”,看作给gRNA和Cas9穿上了一件防护衣。只有当它们抵达执行基因编辑任务的点位时,防护衣才会自动脱落,释放出gRNA和Cas9。这种情况下,什么材质适合做这件防护衣,如何避免防护衣提前脱落,这些都是需要优化的技术难点。

“我们在gRNA、Cas9以及递送系统这三方面都做了技术布局,也有一些独创的技术优势。”马丽佳介绍,生物数据的产出能力在目前阶段是有限的,但是实验室正在产出庞大的高质量的体内数据集合,为构建AI模型提供了更为真实可靠的训练集合。通过数据特征的提取和模型的不断优化,最终我们将打通AI结合生物学数据进行CRISPR系统开发的全流程。“此外,在腾讯AI Lab的支持和协助下,我们的gRNA 设计系统5月份将会上线,便于大家更为广泛且精准的使用CRISPR系统,使基因编辑可以用于更多生物学模型和疾病种类。”

9成以上遗传病将迎来治愈希望

从技术到临床,科学家们还有很长的一段路要走,但已经有极少数深受遗传病困扰的人体验过“基因魔剪”。

据英国《自然》网站报道,2020年,一名身患莱伯氏先天性黑蒙症(LCA10)患者,成为接受CRISPR-Cas9基因疗法直接人体试验的第一人。LCA10是一种遗传失明症,是导致儿童失明的主要原因。

同年7月,两名身患输血依赖型的重型β地贫的男童,接受基因编辑治疗后,成功实现造血干细胞植入以及造血重建,并已摆脱输血依赖。这是亚洲首次通过基因编辑技术治疗地中海贫血(简称“地贫”),也是全世界首次通过CRISPR基因编辑技术治疗β0/β0型重度地贫的成功案例。

但这样的好消息,依然是极罕见的。

在已知的6000多种遗传病中 ,目前只有大约几十种被FDA批准的药物可以对其中一部分疾病进行治疗,绝大部分遗传疾病连有效的治疗方案都没有,治愈更是无从谈起。由于CRISPR可以修改DNA序列,因此对主要由基因突变、缺失等造成的遗传病来说,基因编辑技术可以为患者们带来一线希望。

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“基因编辑能治的遗传病很多,但仅仅针对某一个疾病基因,去开发一套完整的治愈方案,是一项非常大的系统性工程。”马丽佳说,她带领的实验室之所以要搭建这样一个基因编辑创新技术开发平台,是要深度结合高通量实验数据与人工智能模型,实现从自主开发疾病治疗靶点、判断靶点改造可能性、设计基因编辑治疗方案到最终实际开发出用于治疗的针剂的一体化技术。

通过优化gRNA、Cas9及递送系统等基因编辑的各个技术环节,马丽佳实验室将进一步提升勘误人体这本“基因书”的能力,丰富编辑“基因书”的工种,期待让这项技术更安全高效。

【浙江新闻+】

基因编辑的红线

基因编辑如此“万能”,但有一条红线是它绝不能逾越的——不能编辑胚胎细胞。

为什么?胚胎是我们每个人最初始的状态,它还处在一个发育的过程中,从科学性上说,当你编辑了胚胎细胞,你并不能完全预知你编辑的这段DNA,会怎样影响人的整个生命过程,至少以目前的科学是做不到的。

如果从更大的视角来说,编辑胚胎细胞还可能会污染整个人类的基因池,这也是一个很重要的问题。打个比方,有些人接受辐射比较多,体内可能会发生基因突变,只要生殖细胞没有受到影响,这种突变是不会传给下一代的。但是胚胎不一样,它是一个人所有细胞的祖先,包括生殖细胞,因此修改过的遗传密码会被传给下一代,这样做就会污染人类整个种群的基因池,而且这种污染的结果没有人能预测。


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