【基础科研】基因工程与分子生物学的新发展（二）

上一篇文章提到人类基因组解码十多年来，基本上对医疗没有什么贡献，这主要有两个原因：首先，如果要进行基因疗法（Gene Therapy），就必须有可靠、廉价、高速的手段对活细胞的基因做重组，很不幸的，早期的尝试（主要是使用改造过的病毒）不但复杂而昂贵，而且非常不精确，常常在错误的染色体位置上做意外的修改，其结果是不但没有治好这些遗传性的基因病变，反而引发急性的癌症肿瘤，在有志愿者因此而死亡之后，研究的脚步就更加缓慢困难。

另一方面，如果不是直接改变病人的基因，而是要开发新药，那么就必须在细胞依据DNA的蓝图制造RNA然后再制造蛋白质等等机制中找寻机会，但是蛋白质千变万化，其作用又主要靠分子折迭（Folding）后的三维形状来决定，所以只从分析DNA而决定蛋白质分子的分子式是远远不够的，必须能确定它们在活细胞环境内如何自我折迭，但是这个问题连超级电脑都不能可靠解决，最终还是必须有直接测量的手段，而在人类基因组解码后，研究人员仍然没有一个很好的直接测量蛋白质形状的技术，所以也就不能促成开发新药的革命。

在学术界内研究DNA的叫做基因工程（Genetic Engineering），研究蛋白质的则是分子生物学（Molecular Biology）的一支。在基因解码越来越快越便宜之后，研究人员开始集中力量要突破前面提到的两个制约因素，在最近几年终于先后得到了好的解决方案。目前我们正处在改进和推广这些新技术的阶段，在未来15-20年将是一个革命性的黄金时期（上一次有这种规模的医疗革命是抗生素的发现和普及），目前困扰人类最严重的许多病变如癌症、Alzheimer's、Aids等将逐步被征服，下一代人的生活品质将因此而大幅提高，实在是件震撼全球的大事。我将在本文介绍基因工程方面的突破，在下一篇文章再讨论分子生物学的新研究工具。

2012年新发现的基因编辑（Gene Editing）技术叫做CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat）。它原本是某些细菌用来消灭入侵的病毒基因的一个天然手段，由一个RNA和一个特别的蛋白质Cas9组合而成。RNA负责识别病毒基因，一旦找到正确的对象就自然接合起来，然后附带的Cas9像剪刀一样把目标DNA切断。一开始研究人员只是用它来对特定基因做消音（Silencing），但是很快地就有人发现只要有合适的新DNA段落在附近，有时细胞修復DNA时会把新段落加进去，如此一来就达到了基因编辑的目的。

和以往的旧技术相比，CRISPR的特点在于它基本上是同一组分子，只有RNA的识别段（图中红色段落）需要量身订制；这不但使制造过程加速了不只一个数量级，而且也大幅减少错误，不过目前的技术还做不到100%精确。

CRISPR发现后不到一年，美国就开了好几个新创业公司（Startups），准备用它来做基因疗法。这些人或许是操之过急了点，毕竟CRISPR才刚被发现，技术很不成熟，尤其是新DNA段落的融入基本上仍是靠运气，所以不是100%的细胞都会被正确处理。更严重的是目前的RNA识别段都还不够可靠，虽然已经比上一代技术好太多了，但是即使是少数的错认仍然有可能会引起癌症，所以CRISPR还有很大的改进空间。

2015年四月，广东中山大学的黄军就教授发表了一篇有关CRISPR的论文，引发了科学界的广泛注意和讨论。他使用CRISPR对刚受孕后的单细胞人类胚胎尝试了基因改造，结论是只有52%（54个胚胎，28个成功）的成功率。不过震惊欧美科学界的不是他的研究结果，而是他的研究对象。胚胎细胞属于所谓的Germline，也就是修改过的基因是会被传到下一代的，而目前由基督教主导的欧美社会还不能接受研究人员扮演上帝的角色。我个人认为这是落伍的观念，Germline Modification必须被规范，但是不可能被永远禁止。

事实上对胚胎细胞使用CRISPR，比对整个活体进行基因疗法要容易多了。这是因为失败的个例可以被丢弃，所以目前的不成熟技术其实已经可以在胚胎方面实用。不过由于“道德”上的考虑，应该不会很快发生；我们大概还是要等上相当的时间（15年？），CRISPR的错误率被压到极小的可接受程度，才会看到大规模的医学应用。至于与医疗无关的应用则会快得多，例如我们可以预期各式各样的转基因作物将会有爆炸性的发展；当然在这方面，政府的法律规范也必须加紧脚步，才能跟上技术的进步，确保他们的安全应用，避免意外的灾难。After All，With Great Power，Comes Great Responsibility。

【后注】今天（2016年九月22日）消息传出，Monsanto正式签约与Broad Institute合作，将利用CRISPR技术来开发新农业品种。早在今年四月，Dupont已经与Caribou Bioscience签了类似的合约。