百年基础研究,从遗传学到分子生物学
1866年,位于现今捷克布鲁恩修道院的孟德尔发表了他历经十年的研究结果,揭示遗传的基本规律,提出遗传因子的雏形(Mendel,1866)。1871年,瑞士科学家Miescher报道后来称之为“核酸”的化学物质(Miescher,1871),以后我们才知道DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)。1944年,美国洛克菲勒医学研究所Avery等提出DNA是遗传的物质基础(Avery,McCleod,McCarty,1944)。1953年,美国遗传学家Watson和英国物理学家Crick提出DNA的双螺旋结构模型(Watson and Crick,1953)。1953年至1965年,Crick及英国、美国多位科学家竞争、合作、交叉,完全解析了生物普遍适用的遗传密码,奠定了分子生物学的框架,促进了一个新学科的诞生和蓬勃发展。
1973年,美国旧金山加州大学的Boyer和斯坦福大学的Cohen发明现今常用的重组DNA技术(Cohen et al.,1973),从此科学家可以剪切DNA,按需求拼接不同的DNA。1977年,英国剑桥大学Sanger等和美国哈佛大学Gilbert等分别发明DNA测序方法(Sanger et al.,1977;Maxam and Gilbert,1977)。这两项技术结合起来,不仅改变了分子生物学的进程,而且把科学带出了学术的象牙塔,应用于生物技术、医学、农业、药学等领域。1976年,Boyer与投资人Swanson建立了世界上第一个以DNA为基础的现代生物技术企业Genentech,象征着现代生物技术产业的诞生。
对于基因的操纵,科学家早期只能在细菌进行,如把人的胰岛素基因克隆到无致病性的细菌中,让后者为人类生产蛋白质药物。随后基因操作技术逐渐发展,可在其他物种中进行,如1987年美国科学家CAPECchi等发明了小鼠基因敲除的方法(Thomas and Capecchil,1987),对生物学的研究带来很大推动。
但在很长时间,科学家只能对少数生物进行基因操纵(如细菌、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠等),而不能对大多数生物进行基因操作。
在这样的背景下,一个新的技术诞生于意想不到的研究。1987年,日本大阪大学微生物学家中田久郎(Atsuo Nakata)实验室发现细菌中存在后来称为CRISPR的DNA序列(Ishino et al.,1987),经过日本、荷兰、西班牙、立陶宛、美国、法国、英国等国多个相对默默无闻科学家的基础研究,发现CRISPR可与CAS蛋白质组成细菌的一种防御系统,可编辑剪切特定的DNA序列(Nakata et al.,1989; Hermans et al.,1991; Groenen et al.,1993; Mojica et al.,1993; Mojica et al.,1995; Mojica et al.,2000; Jansen et al.,2002; Mojica et al.,2005; Haft et al.,2005; Pourcel et al.,2005; Bolotin et al.,2005; Makarova et al.,2006; BarraNGOu et al.,2007; Horvath et al.,2008; Mojica et al.,2009; Brouns et al.,2008; Marraffini et al.,2008; Deveau et al.,2008; Garneau et al.,2010; Hale et al.,2009; Horvath and Barrangou; 2010; Deltcheva et al.,2011; Sapranauskas et al.,2011; Hale et al.,2012)。
基因编辑技术CRISPR/Cas9技术发现的三位先驱
2012年,法国科学家Emmanuelle Charpentiere和美国科学家Jennifer Doudna合作(Jinek et al.,2012),与立陶宛的Siksnys实验室(Gasiunas et al.,2012)分别证明可在体外重建CRISPR/Cas9体系,用于编辑特定的靶基因。这一方法被发明后,很快被用于各种细胞和各种生物,并在很多细胞和生物中证实非常有效。从此,我们改变DNA就不再局限于几种生物,特别是研究用的生物,而可以用于很多其他物种。其后几年,有关CRISPR/CAS9应用的论文如雨后春笋、层出不穷。这一技术也得到不断改进,使用更加方便,效率更高。
在这一过程中,海内外华人科学家,如美国MIT的张锋、国内包括北大在内的多个大学和研究机构的科学家也做出了贡献,特别是在改进、推广等方面。CRISPR/Cas9技术很快就被生物领域的众多实验室有效地用于多种生物,其简单而高效,一般生物学研究生都能很快上手,而且成为培训本科生的实验方法之一。
以前的方法只能在很少的生物中应用,所以不用担心,只有比较专业的人才能用,也减轻了人们的担忧,但CRISPR/Cas9的有效性和便利性带来了极大的冲击。
遗传和扩散:人类基因编辑
长期以来,科学界知道新的科学技术不能用于人类生殖细胞,特别是不能产出婴儿。因为历史和发展的原因,中国科学和技术方面的立法相对滞后,对于基因编辑依法管理是弱项。CRISPR/Cas9基因编辑方法的简易引起了前所未有的问题。
2015年,广州中山大学副教授黄军就由一个医院的委员会同意后,对人类生殖细胞进行了基因编辑(Liang et al.,2015)。他们显然不清楚国际科学界的顾虑,而把文章当成突破寄给顶级杂志(英国的Nature、美国的 Science),被杂志编辑部因伦理问题而拒稿。而中国出版和主编的英文杂志《蛋白质和细胞》却在一天之内就快速收稿,决定发表。这一工作当即引起国际科学界很大的关注。值得一提的是,黄军就的工作选择了不能完成发育的异常胚胎,所以不会产生婴儿。在国际反应很强的情况下,中国有关部门并没有采取相应的举措。
2017年,前苏联移民美国的科学家Mitalipov 在Nature发表论文,报道他们编辑了人类生殖细胞的基因,其第一作者是华人(Ma et al.,2017)。显然,当年拒绝黄军就论文的Nature现在不以生殖细胞基因编辑作为伦理的担忧。
2018年11月26日,南方科技大学停薪留职、在外开公司的贺建奎对媒体宣布,他不仅对人类生殖细胞进行了基因编辑,而且产出了一对婴儿。消息传出,有些国内主流中文媒体作为科技突破来发表消息,但国内外科学界立即哗然,国际媒体也纷纷质疑。
因基因编辑技术门槛低,现在有很多人可以做,如果不及时制止,就有泛滥的可能性。在很多年轻的学者来看,如果对现有情况不处理而后也不出台严格的法律法规,他们中有些人也可能会做,因为早在贺建奎之前,他们就在动物中做过,他们比贺建奎更加熟悉的基因编辑技术。
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