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 郭成 发表于: 2018-11-27 09:46:00|显示全部楼层|阅读模式

[纪实·新闻] 关于基因编辑,你知道这些知识吗?

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源自:新浪科技综合
源自:SELF格致论道讲坛

  11月26日,来自中国深圳的科学家贺建奎在第二届国际人类基因组编辑峰会召开前一天宣布,一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于11月在中国健康诞生。这对双胞胎的一个基因经过修改,使她们出生后即能天然抵抗艾滋病。基因编辑技术对我们来说,到底是天使还是魔鬼?对此,我们无从判断,这里给大家提供一些关于基因编辑的背景知识,供大家了解。
  11月26日,来自中国深圳的科学家贺建奎在第二届国际人类基因组编辑峰会召开前一天宣布,一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于11月在中国健康诞生。这对双胞胎的一个基因经过修改,使她们出生后即能天然抵抗艾滋病。基因编辑技术对我们来说,到底是天使还是魔鬼?对此,我们无从判断,这里给大家提供一些关于基因编辑的背景知识,供大家了解。

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邓子新 中国科学院院士 世界科学园院士
  以下内容为邓子新在中科院SELF讲坛的演讲实录:
  我们人类历史上经历了多次的工业革命:第一次的工业革命是1765年诞生了蒸汽机,把我们带进了蒸汽机的时代;第二次的工业革命主要是以半导体为标志的,带我们进入了电子时代;进入了信息时代,是1946年美国人发现的第一台电子计算机为标志的。
  那时候的计算机跟我们今天手上的手机或者一个手提电脑,非常的不一样,那个时候的计算机可能要占我们这个房间的1/4甚至是更大的空间,可能重量的话有好几头大象重,但是不管怎么样,这台计算机的诞生把我们带进了信息时代。
  那么第四次的工业革命是一场什么样的革命呢?1953年Waston &Crick发现了DNA双螺旋的结构,可以说是开启了生命科学的新时代,这也就是生命科学的这一次工业革命的开展。
  随着DNA双螺旋结构的发现,到了1956年,Arthur Kornberg发现DNA聚合酶,1966年发现氨基酸密码子,然后1970年发现了限制性内切酶,1975年研究出单克隆抗体,到了1982年第一个基因工程的药物──也就是重组的人胰岛素被FDA批准上市,进入1983年PCR技术发现以后,可以说使我们今天的生命科学和生物产业发生突飞猛进的变化!

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  到了1990年的时候人类基因组计划启动,到了1997年克隆的多利羊诞生,这个世纪的初期人类基因组计划,整个的测序就完成了。所以这些活生生的生命科学的发展,有很多是诺贝尔奖级别的结果,使得我们今天的生命科学可以说是迅猛的发展。这是一个全新的时代!
  那么我们回过头来看一看DNA是什么?实际上DNA从化学结构上来讲,我们把它叫做脱氧核糖核酸──是G、A、T、C,4种碱基在体内核苷酸,再加上糖基组成双螺旋的结构──就是这种结构编码了自然界千变万化的遗传现象,可以说是构成了我们今天生物界无穷无尽的遗传信息之源。

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  所以我们后来了解到DNA实际上是遗传的物质基础,它编码基因转录成RNA再翻译成蛋白质,这个叫中心法则。这一个法则使得我们知道基因的作用和意义,每一个基因都控制着生物的遗传性状,一个基本的单位控制一个遗传性状,而若干基因构成一个生命体的基因遗传信息的总和,我们把它叫做基因组。
  DNA除了基本结构之外,还可以进行一些修饰:有的修饰是发生在碱基上,叫做DNA的甲基化。这个甲基化最初是作为细菌防卫自己的DNA,不被外来生物的DNA所侵袭,所以给自己的DNA戴一个帽子,所以它编码了限制内切酶,就不切它自己,只切外来的DNA。
  后来发现原来这种标记非常的重要,基因的转录、翻译以及基因的表达、调控都受到甲基化的控制,所以出现了一个新的学科,也是得了诺贝尔奖的学科,叫“表观遗传学”。
  除了DNA碱基上的甲基化以外,刚才主持人也提到有另外一种修饰,我们叫做“硫修饰”,这也是有幸作为我的团队攻克了20多年的一个成果,从一个漫不经意、司空见惯、比芝麻还要小的偶然现象,最后阐明是在DNA的结构上有一种新的元素整入而且在DNA的骨架上,我们叫做“磷硫酰化”。

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  这个磷硫酰化有很重要的生物学意义:可以作为一种全新的细胞的防卫反应;也可以抗氧化、抗酸、抗碱、抗压力;可以促生物细胞的生长……还有新的意义逐步的在发现,所以我的团队现在也还是在这个领域非常的忙碌和开拓。这一个修饰就是把DNA骨架上五种蛋白合力,把DNA上面这个半胱氨酸或者是硫酸根的硫,从无机的转移到DNA的骨架上面,是复制后的一种修饰。
  为什么说DNA是遗传物质基础,而不是蛋白质呢?实际上我要告诉大家一个最经典的故事──1944年,阿菲瑞做了一个非常著名的转化实验,他当时分别用蛋白质、DNA等去转化小鼠。用蛋白质转化小鼠,小鼠不得病,而用DNA转化小鼠的时候,就产生了明显的致病效果。
  当单独用DNA转化时,小鼠会致病;而当用DNA酶把DNA切成碎片后,小鼠不致病,这就明显地说明了DNA在起作用!(DNA酶是一种蛋白质,它可以使DNA水解成碎片。)
  这个实验证明了这样一个伟大的概念──就是“DNA是生命的物质基础”,由此现代生命科学揭开了序幕。
  DNA编码了色彩斑斓的生命世界:这个世界有人、有大猩猩,也有小得不能再小的病毒、细菌、真菌,也有像完全灭绝的恐龙,我相信它也是DNA编码的,还有可能已经绝迹但是可能仍然存在在泰国的我们叫猛犸,俗称长毛象,这种可爱的动物;有可爱的大熊猫、滇丝猴、有传说中的野人;还有像中华鲟这种可爱的鱼;当然还有植物里面:像银杏树、珙桐,也就是俗称的鸽子树;还有桫椤这种木本蕨类的植物……
  长寿千年的龟鳖的家族,它们可以本能的遗传繁衍、可以长生不老;还有一些植物可以生活在非常贫瘠的土壤,可以在沙漠、可以在盐碱地上本能的适应;还有的可以有一些通过神经控制的应激的反应──像某种植物它可以伸开它的背膀正常的生活,当有一个虫侵扰它的时候,它会把翅膀束起来把昆虫包被起来,非常的神秘!所以我们说DNA是生命之水。
  但DNA它也是祸福之源,DNA的自然恐怖我想大家都知道──流行性的疾病──联合国的世界卫生组织说这个世纪的,其实2010年可能有一百多种流行性的疾病,不光是感冒、禽流感、SARS、埃博拉……许许多多的,包括早期肺结核等等。这些都严重地威胁我们人类的生长、生存和发展,这些细菌看起来都很小,但是它们造成的危害,造成我们今天的生物安全和社会安全,是非常大的问题。

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  我尤其要提到像狂犬病,因为这是我们国家发病位居世界第二的,一个死亡率最高的一个病毒传染病,但是我们知道像养狗养猫,又是我们今天的宠物,所以我们要如何找到今天我们又要防病防害、又要饲养宠物的平衡点?所以社会的控制,必须提上议事日程。
  除此之外,还有的微生物引起许许多多的,有1700多种的植物病害,每年造成我们数以千万这种级的农业损失,可能40%,有水稻纹枯病、小米的赤霉病、玉米的小斑病……各种不同的,包括瓜果蔬菜人参,可以说是不一而足。
  还有一些微生物的恐怖,实际上是人为造成的,我们也必须加以认识:包括克隆人、克隆动物,有害的动物和有害的植物,或者是微生物,这些是我们要加以管控的;尤其是像基因武器,如果控制得不好,它可以比核武器有过之而不及!
  因为基因武器的研制,相对来说也不是那么复杂,因为它可以根据现在的一些病原菌以及根据一些稀有的、不同民族的一些基因、民族专一性的一些基因、敏感性的、易感性的基因,就很容易制造出来,生产的工艺很简单、生产量又大,又没有辐射又没有污染,成本也低,所以说是非常可怕的,而且是人为的,所以说从这个意义上讲,我们要保护我们民族自己的基因,要保护尤其那些易感性的基因不被国内外或者是恐怖势力所利用。
  另外,在今天的社会里头还有众多的食品、药品的安全问题,可以说处理得不好,这是我们人类在自我犯罪,像苏丹红、瘦肉精、地沟油、毒豆芽,还有毒酒、假酒、硫磺姜……等等不一而足,这种都是我们人类活动在自己危害我们自己,我们必须要自我约束、自我管控。
  我们对自然的危害我们可以通过科学的解决,对这种社会的、人为的危害,我们如何来对付、来应付?这是包括我们今天在座的、包括科学家和社会,共同要意识到和认知的问题。
  当然DNA也是财富。像“根瘤菌”──花生、大豆、苜蓿根部都可以结很大的瘤,这些瘤可以固定空气中许多的氮,它产生像硫酸铵这样的肥料,所以不用施肥就可以生长的枝叶繁茂,氮的很大一部分都是靠这种生物固定的。
  还有有些细菌──像“假单胞菌”──它可以把寒冷空气中的一些水雾凝聚成为雪花,可以来装点我们的江山;还有一些细菌它可以在含钙的环境中间形成钙的微晶体,你想它可以保护古建筑,看这样美丽的色彩实际上都是细菌在这里起作用,形成了微晶体。
  到“转基因”这个方面,像农业的转基因食品,更是超出了我们今天生物自有的一些固有的有益性状:像保鲜期长的番茄、抗除草剂的大豆,还有抗虫的棉──就是把苏云金芽孢杆菌的Bt基因转进去以后,就可以杀死棉铃虫,不要再施什么抗虫的农药。
  还有抗虫的玉米,也是把Bt毒素基因放进玉米里,它可以抗玉米病;还有抗除草剂的油菜;还有像抗病毒的木瓜,某些蛋白可以克隆到这种木瓜树里边去。在动物方面,可以工程化凝乳酶,它产生的这种酶可以使牛奶凝固。
  还有像我们一些生长激素的基因,可以把它放到牛、马身上,使得他产生更多的、有益的制品。新一代的基因产品里头,今天可以说是已经形成一个基因一个品种一个产业的格局。
  我要给大家举个例子,像“黄金水稻”,我们知道在非洲很缺乏维生素A,而引起像失明、小儿的一些疾病,而当地维生素A的话,还不是一个很便宜的药,不是一般人用得起的,那如果把一些产生维生素A的前体,像胡萝卜素,有些基因给它装进去水稻就可以产生这种前体物质,这以后可以协助合成维生素A,吃了这种水稻就可以解决非洲的麻疹、痢疾和双目失明的一些问题。
  还有人工的草皮,我们今天草皮生长也很慢也很低,我想大家进入了一个环境,如果长得像芦苇荡一样,你也不愿意进去,这些转基因的草皮生长又慢也不用经常地割草,可以美化我们的环境。
  还有像番茄、香蕉这样一些水果里边,如果把有一些蛋白或者DNA整合到里面去,它可以产生像痢疾、肝炎、麻疹这样的一些疫苗,我们吃了这种水果就可以免疫了,就不用再打针、打疫苗。
  还有像植酸酶,把这种酶植入到玉米里边去,可以做成动物的饲料,植酸酶它可以在细胞里头帮助消化吸收形成动物所需要的营养。还有向日葵,把草酸盐氧化酶的基因转到向日葵里边去,可以抗霉菌。
  还有我们可以把像蜘蛛织网的一些基因放到绵羊皮里边去的话,子弹都打不穿!所以像今天的抗草甘膦的种业里头,是把草甘膦的有些抗原基因放进去,就形成了一个产业。就说动物、植物都可以进行这种育种,我就不再举这种例子了。
  另外,我们知道传统的动植物的改良,可以通过把鲫鱼、鲤鱼的卵取出来注射到金鱼卵里面去,实际上把它们的messenger RNA注射到受精卵里头,就可以形成鲫金鱼和鲤金鱼,这是传统的动物育种。
  今天的DNA技术的话──就是所谓的动物基因工程──可以创造新的物种,改变物种,赋予它一些全新的性状,可以用于动物器官的移植,解决我们人体某些器官移植时候的不足。
  还有些遗传的疾病,像我们要了解它是单基因控制的,还是多基因病,然后可以进行基因治疗,包括像癌症、心血管、脑血管、精神病、糖尿病、风湿病,还有免疫性的疾病,血友病,色盲、白化病……等等很多这种疾病。遗传性的疾病可以通过知道它的机制、知道它是单基因病还是多基因病,可以进行追根溯源、进行基因治疗。“换基因”,这是治本的。
  现在生物技术还增强我们的健康水平,像疫苗,我刚才已经讲了,还有我们可以“工程化”某些微生物,本来产某种酸破坏我们幼儿牙齿的釉质,如果这种微生物改变以后,放到牙膏里去的话,这种产品就不会有这种破坏作用。对一个小的微生物的改造可以形成新的生长、产业的增长点。
  那么我再稍微谈一点药物,像“青霉素”可以说是现代药学的奇迹,尤其在二战期间拯救了成千上万的士兵的生命,我们也知道在二战在中国战场上青霉素也是比黄金都要贵多少倍,后来发现这种微生物很多的都产生,植物也产生一些抗细菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、降低胆固醇……应用越来越广泛。但是在发酵过程中又有DNA一些病毒可以来捣乱。
  今天这个药物的市场可以是经济价值非常之大,药物品种有一百多种,每年的话市值都超过了300亿以上,占整个药物市场要超过20%。有十余种单品市值超过10亿美金了。
  我们了解了DNA、了解了它的利和害,我们“趋势避害”是我们今天所说的要“解码DNA的天职”。我们地球今天面临着很多的威胁、人类的挑战很大,因为能源的危机、资源的危机,食品、药品还有生物物种的消亡……这都是给我们人类提出了巨大的挑战。
  地球也是石化资源开始短缺、环境越来越恶化,这些化石的资源都是不可再生的,迅速枯竭而且产生大量的二氧化碳气体排放到我们这个地球的空间;还有焚烧垃圾、还有环境的污染。
  我们今天大量的碳资源都不可再生,当然都是农副产品,没有充分利用,全球每年有1700亿吨的生物质,利用率只有3.5%,我们如果能够把它利用率改变成5%,我们就可以好比说用它生产柴油或者石油,今天我们整个全球的石油的总量都可能达到。
  我们每年生产的7亿吨的秸秆,其中2亿吨都是就地焚烧的,而且这种就地焚烧的话,要靠农业生物技术来改变它。我们今天很多的产品像通过生物炼制、发展细胞生物工厂来进行生物催化,把这种可再生的生物生产过程中的副产品,变成能源产品、生物材料、化工产品,像有一些这个洗涤产品、化工产品,都是有益的。
  我们生物能源上面可以生产各种不同的液体的燃料──像乙醇──我们用它替代汽油;生物柴油作为柴油和航空燃料的替代品,但是这些产品,像乙醇附加值低、也容易腐蚀这个储存的设备、也不能管道运输……等等很多的问题,而且生物柴油也是植物油和天然气、甲醇反应得到的,有一些问题。所以发酵法生产柴油现在可能是出路,但是这个原料也是我们赖以生存的粮食。
  你像2006年美国大肆的发展这个生物油,使得整个的玉米的需求量增加,价格上涨76%。所以发展的方向是要用微生物的方法来改造代谢途径;用合成生物学的方法,而且要发展种植非粮的原料。
  另外,把环境中间大量的有毒有害化合物,像二恶英、多氯联苯、多溴联苯醚等等,靠微生物把它转化成为二氧化碳和水。人类活动产生了很多焚烧垃圾,每年有很多垃圾被焚烧,所以这种活动还要靠我们人类活动自己来制约。最终都要靠微生物技术来把它降解成为二氧化碳和水。
  像尼古丁,我们知道对身体是很有害的,抑制神经中枢,可以是说是麻痹我们的心脏,还有血压升高等等,有一种微生物它就可以降解它,使得它变成二氧化碳和水;石油也是污染环境,海边的生物身上都是一身油,根本就无法生存。
  微生物废水处理、土壤环境的修复,现在就是要构建超级的微生物,使得它生长快速,把很多降解环境废物的基因都整合起来,使得它超级地对付这个地球上的一些严峻的污染。
  所以新的疾病不断地出现,我们今天还要发展“合成生物学的技术”,使得他通过,就像今后的药物的产生,就跟摆拼图一样,我们把这些基因跟它的化学结构进行分解,分解成各种不同的模块,然后这些模块的基因功能了解清楚以后,就把它放到边上去,拼图块一样拼出某种臆想的药物。像某一个药物改变一个羟基的结构,颜色发生变化、功能发生变化,所以这都是今后趋利避害的方向,所以说合成生物学是有广泛的前景。
  我们说生物学家和工程师联合起来,对生物进行重新布线和编程,若干年以后我们就可以生产更廉价的药,为汽车提供绿色的能源,为治疗癌症等等医学责任提供技术支撑和手段,改变我们生活。
  听下来我不知道大家被说服没有?这个世纪确确实实这是个生命科学的世纪,我们不了解、不理解生命科学,就无法理解这个世纪;不把握生命科学、不解码生命,我们就无法征服、就无法改造生命,所以我们解码DNA趋利避害,是我们的天职和责任,是我们科学家和社会的共同责任!谢谢大家!
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