《破天机：基因编辑的惊人力量》评介

周洋 芦跃

生物体的生、长、衰、病、老、死等一切生命现象都与基因有关。它也是决定生命健康的内在因素。生物世界的基本规律之一是演化，演化的核心机制是自然选择，自然选择的基本单位就是基因。基因支持着生命的基本构造和性能。储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。组成基因组的分子叫作脱氧核糖核酸，即DNA。一整套人类DNA序列被称作“人类基因组”，这个术语是由德国植物学家汉斯·温克勒在1920年提出来的。人类的基因组有23个不同的片段组成，这些片段叫作染色体。细胞里的染色体通常包括两个拷贝，一个来自父亲，一个来自母亲。

湖南科技出版社2020年11月出版的《破天机：基因编辑的惊人力量》引领阅读基因编辑技术的过去、现在和未来。2020年诺贝尔化学奖得主杜德娜（Jennifer A. Doudna）和生物化学家塞缪尔·斯滕伯格（Samuel H. Sternberg）将个人叙事、科学数据与深刻的历史视角结合起来，真实而清晰地还原了基因编辑的故事。这本书帮助你理解生命的未来，并思索生命的深意。

在分子层面上全面认识人体构造

遗传信息储存在DNA里，长长的DNA序列有四种碱基A、G、C、T排列组成，碱基A与碱基T配对，而G永远与C配对。不同的序列段记载不同的信息。有些段落含有制造蛋白质的信息，这些段落就是我们常说的基因。基因有两个鲜明的特点：一是能忠实地复制自己，以保持生物的基本特征;二是基因能够“突变”，突变绝大多数会导致疾病产生，另外的一小部分是非致病突变。某些严重的疾病就是某段基因甚至整个染色体出现复制错误或者完全丢失而引发的突变。20世纪90年代“人类基因组计划”正式启动，开启了人类在分子水平上认识自身遗传密码的新航程。

在20世纪90年代，两位纽约的病人被诊断患有“重症复合免疫缺陷”（SCID），他们也被称为“泡泡男孩”，因为他们必须生活在无菌的塑料保护膜中，以避免接触致病菌。如果得不到彻底隔离或者积极治疗，重症复合免疫缺陷患者往往在2岁前死去。但是，纽约的这两位重症复合免疫缺陷患者却是幸运儿：他们健康地挺过了青少年阶段，长到了成年。科学家找到了原因，他们的细胞都自动纠正了致病的突变基因，而且修复过程没有扰乱染色体上的其他基因。研究人员对此开展了一系列研究测试，得出的结论是：患者身体内的染色体发生突然粉碎，然后重新修复，引起基因剧烈重排。幸运的是，有一个造血干细胞，它可以通过无数次复制和再生，分化出各种血细胞。最终把患者免疫系统里的白细胞都替换成了健康细胞。就像一个软件里含有一个错误代码——通过自发染色体粉碎和重排，删除掉了错误的代码，而不损坏软件的关键功能。这个过程正是体现了基因编辑的事实。但是，遗传病自愈的概率微乎其微。这个案例为未来的医学干预指明了一条可能的道路：我们可以主动地、合理地更正基因中的突变基因，从而治疗遗传病。

在分子层面上全面认识遗传疾病

有了DNA测序技术，科学家才能阅读并记录人类的基因组，继而查明许多疾病的病灶基因。自从20世纪70年代第一代测序方法出现以来，科学家阐明了许多遗传病的分子机制。还有许多类型的遗传病，其病因并不是基因缺失。对于这类疾病，单纯地引入新基因并不会奏效。但对于难治型的遗传病，医生们需要做的就是修复缺陷基因，而不仅仅是替换掉他们。如果他们可以修复导致疾病的缺陷基因，就可以治疗显性与隐性基因疾病。

20世纪80年代初，犹他大学的一位教授马里奥·卡佩奇，他发现一个基因拷贝进入到基因组的时候，他们嵌入的模式并不是随机的，这些基因总是聚集在一个或几个位置，彼此重叠，还要进行无比复杂的混合、配对、重组，但细胞却执行得有条不紊。事实上，这个过程在所有的生物种类中都会发生。在卡佩奇的研究发表3年之后，科学家做到“诱使”细胞“认为”重组DNA只是一段与它自身基因组配对的额外染色体，从而确保新DNA与本来的基因组融合在一起。这种基因操作的方法就是基因编辑。2003年，马修·波特斯和大卫·巴尔的摩首次在人类细胞中利用定制的锌指核酸酶进行了基因编辑。从此，基因编辑技术来治疗遗传疾病变得触手可及。

在分子层面上开启基因编辑

在诸多基因编辑的工具中，最新，也可能是最有效的，当属CRISPR-Cas9（简称为CRISPR）。病毒是天然的杀手，亿万年来，细菌在与病毒经久不息的鏖战中，演化出了一套适应性免疫系统：CRISPR。它的全称是“规律间隔成簇短回文重复序列”。CRISPR可能就是细菌和古生菌中免疫系统的一部分，保护细菌不被病毒入侵。

CRISPR好像一把剪刀，它可以用20个字母精确锁定一段DNA序列，进而切开双螺旋。CRISPR最简单的，也是最广泛的应用，是切开基因，进而诱发细胞修复损伤。现在，有了CRISPR完整的工具箱，科学家几乎可以对基因组的组成和基因表达进行控制。无论是通过一刀剪切、多刀剪切或一刀都不切，科学家都有了无数的选择。而且，科学家仍然在继续优化这些工具。CRISPR得以快速发展，真正的原因是它功能强大、价格低廉、使用方便。20世纪80年代，如果编辑单个基因的效率能达到1%，到了21世纪初，其效率提升到了接近10%。有了CRISPR，基因编辑技术变得格外强大。随着CRISPR工具箱得到拓展，我们可以對基因组里的任何基因施加影响，从而找到新办法来治疗癌症和遗传病。目前科学家使用CRISPR编辑并修复了干细胞，使之可以分化成身体的其他细胞或者组织类型。科学家也使用CRISPR编辑了人类癌细胞中的上千个基因，这有助于发现新的药物靶点和新的治疗方案。

在分子层面上应用基因编辑

想象一下，在货架上放几个月都不会变坏的食物，能更好地应对气候变化的植物，不再传播疟疾的蚊子。这些生物听起来像是天方夜谭，但事实上，有了基因编辑，他们正在逐渐变成现实。基因编辑还有别的应用，有些听起来像是科幻小说。许多研究组使用CRISPR来改造猪的基因，使它们更好地长出人类的器官，从而解决移植器官短缺的问题。有些公司开始使用基因编辑技术来提供定制宠物，基因编辑过的迷你猪，只有小狗那么大。与传统的育种方法相比，CRISPR技术使得科学家可以精确操作基因组了，这是前所未有的突破。2014年，中国科学院的研究人员使用了多种基因编辑工具——包括CRISPR，改写了普通小麦里的6个Mlo基因，并且不用担心有其他副作用。无论是基因敲除、基因改写、基因插入或者基因删除，科学家都可以精确地进行操作。

阿道司·赫胥黎（Aldous Huxley）曾在小说《美丽新世界》（Brave New World）中虚构了一个按基因等级排序的未来社会。赫胥黎把这个反乌托邦社会设定在2540年。但是，如果基因不平等以目前的速度发展下去，未来500年，类似CRISPR的技术对社会、对人类还会有哪些方面的影响？

CRISPR有巨大的潜力改变世界，包括消灭最严重的遗传病，就好像疫苗彻底消灭了天花。设想一下，上千位科学家使用CRISPR技术研究癌症，发现了新疗法，甚至彻底攻克了这个顽疾。再设想一下，农民利用CRISPR改造过的农作物和动物解决了全球饥饿的问题，并使它们更好地适应气候变暖。技术本身是无所谓善恶了，重要的是如何使用它们。这项新技术所蕴含的巨大力量，可能出乎所有人的意料。我们可以用它来造福人类，而不是贻害后人。我们对于自然的好奇心引领我们前进，但是，CRIEPR的故事也提醒我们，科学家和公众需要一起为科学的前进和科学结果负责。

该书不仅适合关心生命科学的人，也适用于社会科学的学者以及每个普通读者来阅读，因为这关乎所有人的未来，人人都将牵涉其中。

作者单位：湖南科技出版社