十年后CRISPR基因编辑是一场正在进行的革命

从科学家头脑中的灯泡熄灭到第一个人受益，医学创新通常需要17年的时间。但每隔一段时间，一个想法是如此强大和深刻，它的影响会更快地被感受到。

CRISPR基因编辑就是这种情况，它在本月庆祝成立10周年。它已经对实验室科学产生了重大影响，提高了精确度并加快了研究速度，并导致了对少数罕见疾病和癌症的临床试验。

科学家预测，在接下来的十年里，CRISPR将产生多种已获批准的医疗方法，并用于改良农作物，使它们更具生产力并能抵抗疾病和气候变化。

“这是一场正在进行的革命，”心脏病专家EricTopol博士说，他创立了ScrippsResearchTranslationalInstitute，并担任该研究所所长。

加州大学伯克利分校创新基因组学研究所执行主任BradRingeisen补充说，CRISPR的兴起在科学上是“无与伦比的”。“它改变了我们研究生物学的方式。”

什么是CRISPR?

在自然界中，细菌使用CRISPR系统来识别和禁用攻击病毒的基因。

科学见解是，这种细菌免疫系统是“成簇规律间隔的短回文重复序列”的首字母缩写词，可以重新用于编辑植物、动物和人的细胞。

CRISPR有能力在一条DNA链中找到一个特定的点，并进行切割、添加或交换一个遗传“字母”甚至一个词。

“这真的很奇妙，”加州大学伯克利分校创新基因组学研究所的基因编辑FyodorUrnov说。“它在它所处的每一个生物环境中都起作用。想象一下，一个人可以在重金属乐队和交响乐团中成为一名出色的表演者。”

2012年6月下旬，生物化学家JenniferDoudna和EmmanuelleCharpentier发表了一篇论文，描述了CRISPR如何编辑基因。(两人因他们的发现获得了2020年诺贝尔化学奖。)2013年1月，来自哈佛大学和麻省理工学院的另外两组研究人员展示了他们可以使用CRISPR编辑哺乳动物细胞。

本月早些时候，加州大学伯克利分校教授杜德纳在《科学》杂志上发表了一篇论文，指出CRISPR迄今取得的进展及其持续的前景。

“CRISPR在短短10年内取得了长足的进步，比我们论文首次发表时我想象的要远，”她在一封后续电子邮件中说。“每年我们都会看到更多的CRISPR疗法临床试验和新应用。”

基因编辑在CRISPR之前就已经存在，但效率不高。几位专家表示，CRISPR易于使用、速度快，并且比早期技术的编辑精度更高。

“在很多情况下，如果没有CRISPR，我们作为科学家的生活就会困难得多，”费城儿童医院的神经科学家贝弗利戴维森说。

她说，CRISPR具有适应性和精确性，使许多实验室活动变得更加简单。即使是她实验室的本科生也可以很容易地接受培训，让CRISPR发挥作用。

CRISPR仍然可以产生脱靶效应——击中非预期的基因——但风险比使用其他编辑工具要小得多。

IntelliaTherapeutics总裁兼首席执行官JohnLeonard博士说，这也解释了为什么基因编辑领域正在缓慢而谨慎地发展，该公司正在开发基于CRISPR的罕见疾病和癌症治疗方法。草率的工作可能导致癌症或其他问题。

“没有人愿意犯下伤害潜力的错误，因为潜力是如此非凡，”伦纳德说。

使用CRISPR治疗癌症

CRISPR有可能通过增强免疫系统来改善癌症治疗。

自2016年以来，它被用于血癌患者的试验，在体外编辑自身的免疫细胞以对癌症发起免疫攻击。

这种称为CAR-T的方法已被证明对几种类型的血癌有效。

直到现在，CAR-T都必须为每个患者单独制作，这会耗费患者可能没有的金钱和时间。

CaribouBiosciences正在开发一种“现成”版本的治疗方法，将放在冰箱中供下一位需要它的患者使用，Doudna公司首席执行官、总裁兼联合创始人RachelHaurwitz说。这将减少数周的准备时间和潜在成本。

Haurwitz说，在其第一次临床试验中，6名非霍奇金淋巴瘤患者在接受单次治疗后没有检测到癌症。

CRISPR如何对抗罕见疾病

超过6,000种罕见遗传病是由单一基因“拼写错误”引起的。对于这些，CRISPR提供了剪断缺陷基因的可能性、增加一个不同的基因或替换掉导致问题的遗传“字母”的可能性。

第一个基于CRISPR片段的镰状细胞病基因疗法预计将于今年晚些时候获得批准。

对于其他疾病，“很难开发出一种剪刀来治疗所有这些突变，”加州大学旧金山分校的儿科和胎儿外科医生TippiMacKenzie博士说。

例如，庞贝病会削弱心脏和骨骼肌并可能致命，它有100种不同的变异，每一种都需要不同的基因编辑来纠正，麦肯齐说，他还负责伊莱和埃迪斯布罗德再生医学中心和加州大学旧金山分校的干细胞研究。

研究人员必须找到他们可以进行的基因编辑，以纠正许多变异，或者想出一种方法来快速开发针对每个患有这种疾病的人的特定编辑。

在她自己的工作中，MacKenzie正在开发可用于晚期或晚期妊娠胎儿的基因编辑方法，以解决更容易在子宫内治疗的疾病，如果让孩子进一步发育会造成伤害。

编辑胎儿可以纠正疾病，但不会遗传给该孩子以后的任何孩子。

“在出生前治疗疾病有很多好处，”MacKenzie说。

基因编辑作物的潜力

Ringeisen说，使用CRISPR改良作物的潜力“非常显着”，并且可以帮助确保数十亿人的粮食安全，即使气候变化威胁到更多的洪水、干旱和疾病。

基因编辑作物仍然主要是理论上的，但最近有一些已经上市。

纽约长岛冷泉港实验室的植物生物学家和遗传学家ZacharyLippman说，部分原因在于技术，部分原因在于消费者的接受度。

经过基因编辑的植物在技术上可能不是传统意义上的“转基因生物”。转基因生物被定义为指将基因从一个物种转移到另一个物种，就像鱼赋予植物新的能力一样。

相比之下，基因编辑放大了一种已经存在于植物或相关物种的DNA和基因中的能力，使其更耐热或抗病，生长更快或能够更密集地种植，例如，Lippman说.他说，这些都是野生植物驯化或育种已经实现的变化，但现在判断公众是否会接受还为时过早。

Lippman自己的工作重点是西红柿。他最近对10种高大的樱桃和葡萄番茄植物进行了基因编辑，以培育出不需要放样的矮化品种。他花了18个月的时间来完成所需的三个编辑。

Lippman说，公司是否会在其他作物的此类工作上投入时间和精力还有待观察。一家生产耐旱大豆的公司或许可以将价格提高20%，但这种新大豆仍必须与未使用CRISPR种植的大豆竞争。此外，在一种环境中表现良好的作物可能需要不同的编辑才能在另一种环境中发挥作用。

Lippman说，“归根结底，这不是万能药”，它不能改变作物生产或使人类能够在气候变化中生存下来。“这成为传统和现代育种已经使用的工具包中的另一个工具。”

未来十年的挑战

涉及CRISPR的最大争议发生在2018年11月，当时中国科学家贺建奎首次被报道使用基因编辑工具编辑人类胚胎。

大多数科学家和医学伦理学家都支持使用基因编辑来改善患有可怕疾病的人的生活的想法。但他们对编辑人类胚胎基因组的概念感到恐惧，这种改变将代代相传。

IntelliaTherapeutics的伦纳德说：“我们对人类生物学的了解还不够多，无法为未出生的孩子进行基因工程改变。”几乎所有可以从这种编辑中受益的疾病都可以通过其他方式治疗或预防。“未出生的人也不能同意对他们进行这些手术。”

他和其他人说，流氓演员可能仍在这一领域工作，试图制造“设计婴儿”，但主流科学和商业专注于解决紧迫的医疗和社会问题。

CRISPR在作为一种医学疗法获得广泛接受之前还面临另外两个主要挑战：降低其天文数字的成本，以及弄清楚如何将基因编辑传递到更多器官和细胞。

交付“是瓶颈，如果我们能够打破，我们将能够实现基因编辑的更广泛潜力，”曾帮助展示CRISPR在哺乳动物细胞中的实用性的张峰说。

到目前为止，大多数CRISPR编辑都是在血液中进行的，可以在体外进行编辑;在眼睛里，相对容易瞄准;或在肝脏中，许多细胞在从体内清除后最终进入肝脏。

生物医学研究中心哈佛大学和麻省理工学院布罗德研究所的张说，​​即使是这些领域也可以触及这一事实证明了过去十年中其他科学的进步和对疾病生物学的更深入理解。现在，CRISPR在无害病毒或微小脂肪球内传递到人体——这两种方法在过去十年中得到了改进。

在如此微小的包装内递送大分子仍然具有挑战性。戴维森说，这使得治疗亨廷顿舞蹈症等神经系统疾病特别困难。

“这是一个在适当的时间将所有机器运送到正确的单元并持续适当时间的问题，”她说。

成本仍然是CRISPR和其他基因编辑方法的障碍。

去年底获得FDA批准的一种治疗成人血友病的方法，一次性治疗的费用约为350万美元。

Urnov说，全球有3亿人患有由单一基因驱动的疾病，而且绝大多数人并不生活在医疗保健系统发达的国家。“我们是否希望未来每一种治疗都花费300万美元，然后我们可以立即计算出在哪里可以使用它以及为谁提供?”

伦纳德说，导致治愈的一次性治疗“在经济上非常有效”。

但目前成本是次要问题，随着制造和其他流程的改进以及需求的增加，成本预计会下降。“首先我们必须从创新开始，然后解决获取问题，”他说。

地平线上还有什么?

研究人员希望有一天能够可靠地同时编辑多个基因，使CRISPR能够解决更常见、更复杂的疾病。

乔治·丘奇(GeorgeChurch)十年前与人合着了其中一篇论文，他说他已经设法在一个单元格中进行了多达24,000次编辑，并正在努力达到100万次。

Church是哈佛医学院的一位遗传学家，他总是将可能性推向极限，他希望通过这种多重基因编辑来恢复猛犸象，并帮助人们抵抗危险的病毒。

Ringeisen希望能够调高或调低调节炎症的基因，从而有可能治疗帕金森氏症或阿尔茨海默氏症等疾病。在农业方面，他设想基因编辑植物和微生物来捕获碳并减少全球变暖。

张说他想通过基因编辑让细胞恢复到更年轻、更健康的状态。他说，我们的目标不是帮助人们长生不老，而是在他们活着的时候改善他们的健康状况。

乌尔诺夫设想有一天甚至可以通过基因编辑来避免心脏病等复杂疾病。

“我希望未来我们可以使用CRISPR在疾病开始之前进行预防，”他说。