編者按：
美國(guó)名牌大學(xué)教授稱(chēng)之為“天才小子”（boy genius）、美國(guó)《科學(xué)家》雜志稱(chēng)為“基因編輯領(lǐng)域的邁達(dá)斯（The Midas of Methods)”、在國(guó)際科學(xué)界閃閃發(fā)光的新星、更被視為今年諾貝爾獎(jiǎng)的熱門(mén)候選人，是什么成就了這位年僅33歲的青年科學(xué)家？他所掌握的生物學(xué)領(lǐng)域引人矚目的基因編輯技術(shù)將如何改變?nèi)藗冄芯靠茖W(xué)的方式？
文 | 陳曉雪
11月2日下午2點(diǎn)，清華大學(xué)鄭裕彤講堂的工作人員還在調(diào)試講臺(tái)上的麥克風(fēng)和投影儀，就開(kāi)始有人在斷斷續(xù)續(xù)入場(chǎng)。
一位專(zhuān)程從武漢趕來(lái)的華中農(nóng)業(yè)大學(xué)大四的小伙子運(yùn)氣不錯(cuò)，2點(diǎn)20分左右搶到了第二排的位置。
下午3點(diǎn)左右， 講堂內(nèi)所有的座位已被學(xué)生和書(shū)本、書(shū)包和水杯所占領(lǐng)。
后門(mén)的人越來(lái)越多。不知道誰(shuí)喊了一聲，“清華的學(xué)生不能這么沒(méi)素質(zhì)，人沒(méi)來(lái)怎么能占座呢？”頃刻間，所有的空座位被填滿(mǎn)。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院一位博士研究生打電話(huà)跟同學(xué)說(shuō)，“你要是4點(diǎn)到，肯定不用來(lái)了。實(shí)在來(lái)得太晚了。”
她說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)。臨近下午4點(diǎn)，講堂內(nèi)兩邊的過(guò)道和講臺(tái)前面的空地已經(jīng)擠滿(mǎn)了人，還有人不斷地嘗試從前門(mén)進(jìn)入，被工作人員一次次攔住。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員、主持人洪波不得不在報(bào)告開(kāi)始前提醒聽(tīng)眾盡量不要走動(dòng)，保持現(xiàn)狀，清華麥戈文腦科學(xué)研究所院長(zhǎng)、主持人鐘毅則用“水泄不通”來(lái)形容此刻的鄭裕彤講堂。
是的，被學(xué)生熱情追捧的“生物學(xué)界最火的明星”張鋒來(lái)了。
張鋒是誰(shuí)？
張鋒是麻省理工學(xué)院（MIT）與哈佛大學(xué)博德研究所的核心成員，MIT麥戈文腦研究所研究員，同時(shí)是MIT大腦與認(rèn)知科學(xué)系和生物工程系的助理教授。
張鋒1983年出生于河北石家莊，11歲那年隨父母移民美國(guó)愛(ài)荷華州首府得梅因。他本科畢業(yè)于哈佛大學(xué)化學(xué)物理專(zhuān)業(yè)，2009年獲得哈佛大學(xué)化學(xué)與生物工程博士學(xué)位。
現(xiàn)年33歲的張鋒與最為接近諾貝爾獎(jiǎng)的兩個(gè)領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系，一個(gè)是可能用于治療自閉癥、精神分裂癥等神經(jīng)性疾病的光遺傳學(xué)技術(shù)（optogenetics），一個(gè)是擁有魔法般能力的基因編輯系統(tǒng)CRISPR。
光遺傳學(xué)技術(shù)源自一種藻類(lèi)蛋白，這種蛋白對(duì)光線(xiàn)非常敏感，將該蛋白插入神經(jīng)元細(xì)胞之后就相當(dāng)于在神經(jīng)細(xì)胞當(dāng)中安裝了一個(gè)開(kāi)關(guān)，科研人員可以通過(guò)是否給予光照刺激的方法打開(kāi)或者關(guān)上這個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)這種方式對(duì)細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控。光遺傳學(xué)技術(shù)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于對(duì)某種特定種類(lèi)的神經(jīng)元細(xì)胞的功能開(kāi)展研究，以及對(duì)抑郁癥或自閉癥患者神經(jīng)通路異常情況的研究等。
斯坦福大學(xué)的科學(xué)家Karl Deisseroth是張鋒讀博期間的導(dǎo)師，他和MIT教授Edward Boyden是公認(rèn)的光遺傳學(xué)技術(shù)主要貢獻(xiàn)者。在Deisseroth實(shí)驗(yàn)室期間，雖只是一名研究生，張鋒卻深度參與到光遺傳學(xué)技術(shù)的研究。“他的技術(shù)對(duì)光遺傳學(xué)研究至關(guān)重要，其他研究者只是將光感的離子通道插入到神經(jīng)元來(lái)控制它們的活動(dòng)，但只有張鋒在哺乳動(dòng)物細(xì)胞里使這一系統(tǒng)得到優(yōu)化。”Deisseroth曾經(jīng)評(píng)價(jià)道。
幾年之后，張鋒取得了使他躋身于世界一流生物學(xué)家行列的發(fā)現(xiàn)：成功實(shí)現(xiàn)利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行快速、高效、簡(jiǎn)便的基因編輯。
CRISPR（規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)序列，Clustered Regurlarly Interspaced Short Palindromic Repeats）是細(xì)菌和古細(xì)菌在長(zhǎng)期演化的過(guò)程中形成的一種適應(yīng)性免疫防御系統(tǒng)，可用來(lái)對(duì)抗外來(lái)的病毒和DNA，由西班牙科學(xué)家Francisco Mojica最早發(fā)現(xiàn)其位點(diǎn)特征。2013年1月，張鋒實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以對(duì)人和小鼠的細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，揭示出CRISPR-Cas9的巨大潛力。
諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)藥學(xué)得主、美國(guó)遺傳學(xué)家與分子生物學(xué)家Phillip Sharp評(píng)論說(shuō)，“（CRISPR-Cas9）正在改變我們研究科學(xué)的方式”。
近些年來(lái)，CRISPR-Cas9已經(jīng)成為生物學(xué)領(lǐng)域最為引人矚目的基因編輯技術(shù)，科學(xué)家用它來(lái)編輯農(nóng)作物、家畜甚至是人類(lèi)胚胎。
張鋒在清華說(shuō)了什么
張鋒在清華的報(bào)告主題是“使用CRISPR-Cas系統(tǒng)進(jìn)行基因組編輯”。他首先介紹了CRIPSR-Cas9發(fā)現(xiàn)的歷史，并講述了自己實(shí)驗(yàn)室近五年來(lái)的工作。清華大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所將之總結(jié)為，張鋒實(shí)驗(yàn)室最早實(shí)現(xiàn)利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，后逐步建立并完善了基因組水平的功能缺失（loss-of-function）和功能獲得（gain-of-function）的篩選體系，開(kāi)發(fā)出高效激發(fā)內(nèi)源性基因轉(zhuǎn)錄的SAM系統(tǒng)（Synergistic Activation Mediator system）等。
最近，張鋒的實(shí)驗(yàn)室還確認(rèn)了一種新的CRISPR蛋白Cpf1可用于基因編輯。與Cas9相比，Cpf1系統(tǒng)在切割DNA過(guò)程中僅需要一個(gè)RNA，而且Cpf1酶比標(biāo)準(zhǔn)的SpCas9更小，更容易進(jìn)入細(xì)胞和組織之中；Cpf1剪切形成的粘性末端讓DNA插入更可控，同時(shí)因?yàn)榧羟凶R(shí)別位點(diǎn)很遠(yuǎn)，使得剪切位置更加靈活。這一成果刊登于今年9月的Cell雜志。CRISPR-Cpf1的使用可能將克服CRISPR-Cas9系統(tǒng)應(yīng)用中的一些限制，并對(duì)在非分裂的細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)基因編輯提供了一定潛在的幫助。
當(dāng)天進(jìn)行報(bào)告的還有張鋒指導(dǎo)過(guò)的博士生、現(xiàn)博德研究所博士后叢樂(lè)。他在報(bào)告中繼續(xù)探討了如何實(shí)現(xiàn)CRISPR-Cas基因編輯系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。
現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答回應(yīng)專(zhuān)利爭(zhēng)議
在觀眾問(wèn)答環(huán)節(jié)，張鋒就公眾關(guān)心的基因編輯技術(shù)與倫理、CRISPR-Cas9專(zhuān)利等問(wèn)題進(jìn)行了解答與回應(yīng)。
反對(duì)基因定制嬰兒
隨著CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)不斷成熟，公眾越來(lái)越關(guān)注其應(yīng)用前景以及可能存在的倫理問(wèn)題。
今天3月，《麻省理工科技評(píng)論》發(fā)表評(píng)論性文章稱(chēng)，科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出可以編輯人類(lèi)生殖細(xì)胞的技術(shù)，也就是可以改變未來(lái)孩子們的基因，人們擔(dān)心，對(duì)生殖細(xì)胞進(jìn)行基因改造將會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)由超級(jí)人類(lèi)和為有錢(qián)人定制嬰兒的工程師構(gòu)成的反烏托邦社會(huì)。
對(duì)于備受公眾關(guān)注的基因編輯嬰兒（gene-editing baby），張鋒認(rèn)為，從長(zhǎng)期來(lái)看，基因編輯技術(shù)發(fā)展到了能夠達(dá)到治療一些遺傳性疾病，“我覺(jué)得大多數(shù)人會(huì)認(rèn)可這一點(diǎn)（通過(guò)基因編輯治療遺傳性疾病）”。他舉例說(shuō)，“如果一對(duì)父母想要孩子，但他們都有某種突變的遺傳疾病，用基因編輯技術(shù)來(lái)修復(fù)胎兒的這些突變是有可能的。”
不過(guò)張鋒同時(shí)表示，基因編輯技術(shù)要想達(dá)到實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療的程度，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。
而對(duì)有目的地去設(shè)計(jì)嬰兒的某些特性，張鋒表示完全反對(duì)：“這樣的風(fēng)險(xiǎn)是很大的，因?yàn)槲覀儗?duì)生物遺傳系統(tǒng)的復(fù)雜程度還知之甚少，要是直接引入某些突變，你無(wú)法預(yù)測(cè)它在整個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)什么樣的反應(yīng)”。
今年4月，中山大學(xué)副教授黃軍就團(tuán)隊(duì)利用CRISPR-Cas9技術(shù)試圖修改人類(lèi)胚胎中可能導(dǎo)致地中海貧血癥的β-珠蛋白HBB基因，曾引發(fā)國(guó)內(nèi)外科學(xué)界關(guān)于基因編輯技術(shù)與倫理的激烈討論。張鋒表示，雖然他沒(méi)有評(píng)審這篇論文，但讀過(guò)論文之后，“我覺(jué)得它的結(jié)論有一定的合理性”。他指出，黃軍就團(tuán)隊(duì)的研究有三個(gè)發(fā)現(xiàn)：首先，基因組編輯的效率不夠高，會(huì)導(dǎo)致胚胎出現(xiàn)很高的嵌合性；其次，修復(fù)效率不夠高，沒(méi)有100%剪切重組修正靶向基因；第三，脫靶率較高，不夠精確。“論文最后的結(jié)論是，我們目前還不能夠使用基因編輯去治療遺傳疾病。我覺(jué)得這個(gè)結(jié)論非常謹(jǐn)慎客觀。”張鋒說(shuō)。同時(shí)，考慮到中山大學(xué)使用的人類(lèi)胚胎是三核受精卵（一個(gè)卵細(xì)胞核兩個(gè)精子細(xì)胞核），即不能發(fā)育為正常胚胎的受精卵，張鋒評(píng)價(jià)說(shuō)，“這也是一個(gè)非常聰明的選擇，這在IVF（體外受精）也是經(jīng)常發(fā)生的事情”。
謹(jǐn)慎改造其他物種
Gene drive最早由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院進(jìn)化遺傳學(xué)家Austin Burt在2003年提出，是一個(gè)能夠快速將特定性狀擴(kuò)散到群體中去的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，物種中都會(huì)存在被遺傳概率比普通基因高的一些基因。利用這些特殊基因的遺傳偏好，理論上可以將人為改造的基因散播到野生群體中，這些改造可以是基因的增添、破壞或修飾，也可能會(huì)降低個(gè)體生育能力，導(dǎo)致整個(gè)物種滅絕。
去年，以哈佛大學(xué)教授George Church為代表的一批科學(xué)家提出以CRISPR為基礎(chǔ)的gene drive。利用CRISPR-Cas9編輯編輯技術(shù)，科學(xué)家們可以把外源基因快速引入到動(dòng)物群體，并由此對(duì)人類(lèi)不希望存在的物種進(jìn)行控制，比如蚊蟲(chóng)等。去年7月，Science雜志闡述了gene drive可能會(huì)帶來(lái)的環(huán)境影響以及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理。
“Gene drive也是一個(gè)同樣重要的領(lǐng)域，”張鋒說(shuō)，“我的個(gè)人看法是，我們?cè)谏鷳B(tài)學(xué)方面運(yùn)用這個(gè)技術(shù)的時(shí)候更需要仔細(xì)，因?yàn)檫@種基因改造的后果往往不可以逆轉(zhuǎn)，尤其是在那些繁殖很快的物種， 雜交后會(huì)產(chǎn)生很多不可預(yù)料的結(jié)果 。”
張鋒認(rèn)為，生命是有彈性的，“如果有一個(gè)物種攜帶基因驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，即使我們能預(yù)測(cè)它會(huì)一直復(fù)制，也可能會(huì)進(jìn)化出一些新的生命機(jī)制，也有可能激活基因驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)。這些是我們很難預(yù)測(cè)的，所以需要做更多的研究才能理解。”
回應(yīng)CRISPR-Cas9專(zhuān)利爭(zhēng)議
2014年4月15日，美國(guó)專(zhuān)利與商標(biāo)局（the United States Patent and Trademark Office， USPTO）將使用CRISPR-Cas系統(tǒng)來(lái)編輯真核基因組的專(zhuān)利授予了博德研究所和麻省理工學(xué)院。截止到今年11月，張鋒實(shí)驗(yàn)室以及博德研究所關(guān)于CRISPR-Cas9的相關(guān)專(zhuān)利在美國(guó)已經(jīng)有14個(gè)被批準(zhǔn)，在歐洲也有4個(gè)已經(jīng)被批準(zhǔn)。
據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，加州大學(xué)和博德研究所就CRISPR-Cas9技術(shù)專(zhuān)利應(yīng)授予誰(shuí)而發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)。2012年6月，加州大學(xué)伯克利分校的Jennifer Doudna 和瑞典于默奧大學(xué)Emmanuelle Charpentier領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在Science發(fā)表文章，報(bào)告使用CRIPSR-Cas9在試管中可以切割靶向DNA，揭示了CRISPR-Cas9如何變成編輯工具。Doudna和目前任職于德國(guó)Helmholtz感染研究中心的Charpentier抗議道，他們提交專(zhuān)利申請(qǐng)的時(shí)間要比張鋒早幾個(gè)月。
而張鋒則表示，他在2011年就開(kāi)始有了把Cas蛋白簇和tracrRNA放到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的想法，也第一個(gè)證明了CRISPR-Cas9整個(gè)概念, 使CRISPR-Cas9從最初的構(gòu)想在（哺乳動(dòng)物）細(xì)胞里成功展現(xiàn)應(yīng)用，這是他和博德研究所能夠得到CRISPR-Cas9相關(guān)專(zhuān)利的原因。
“美國(guó)的專(zhuān)利是給第一個(gè)發(fā)明（first invent）的人，而不是給第一個(gè)申請(qǐng)專(zhuān)利（first file）的人，你要能提供第一個(gè)發(fā)明的證據(jù)，這是美國(guó)審批專(zhuān)利的標(biāo)準(zhǔn)。”張鋒說(shuō)。
今年7月，張鋒在《人類(lèi)基因治療》雜志（Human Gene Therapy）發(fā)表綜述文章，介紹CRISPR-Cas基因組編輯系統(tǒng)的前景與挑戰(zhàn)。他指出，CRISPR-Cas系統(tǒng)未來(lái)很重要的一個(gè)應(yīng)用是遺傳性疾病的精準(zhǔn)治療。以CRISPR-Cas9為基礎(chǔ)的基因編輯技術(shù)在一系列基因治療的應(yīng)用領(lǐng)域都展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景，如血液病、腫瘤和其他遺傳疾病。
圍繞CRISPR-Cas9巨大的潛力，多個(gè)創(chuàng)業(yè)公司迅速誕生，吸引數(shù)億美元風(fēng)險(xiǎn)投資。Doudna最初創(chuàng)立Caribou Biosciences公司來(lái)繼續(xù)CRIPSR-Cas9技術(shù)的研究，后成立Intellia Therapeutics，專(zhuān)注疾病治療，最近更與諾華展開(kāi)研發(fā)合作計(jì)劃，加速發(fā)展CRISPR-Cas9技術(shù)在CAR-T細(xì)胞治療和造血干細(xì)胞中的應(yīng)用。Charpentier則參與創(chuàng)建了Crispr Therapeutics公司，專(zhuān)注于基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9。張鋒本人則與哈佛大學(xué)的Church教授于2013年創(chuàng)立Editas Medicine公司。
張鋒表示，當(dāng)初申請(qǐng)專(zhuān)利是希望保持技術(shù)的公開(kāi)化，“CRISPR-Cas技術(shù)太基礎(chǔ)了，我們期望把它變成一個(gè)任何人都可以利用、往前走的工具”。他表示，現(xiàn)在任何一個(gè)公司要使用CRISPR-Cas9技術(shù)的話(huà)，都可以使用，“如果做基因治療，只要Editas沒(méi)有發(fā)明，他們都可以從Editas或博德研究所拿到開(kāi)發(fā)其他疾病治療的權(quán)利”。
在報(bào)告會(huì)上，張鋒還表示樂(lè)意為有需要的科研工作者提供相關(guān)技術(shù)支持。他和其他研究小組建立了一個(gè)在線(xiàn)資源支持網(wǎng)站，“有什么問(wèn)題可以發(fā)到群組論壇里面，里面不僅有我們自己的研究小組，還有世界各地的研究小組”。
今年諾貝爾獎(jiǎng)公布前夕，張鋒被國(guó)內(nèi)媒體寄予厚望，被認(rèn)為有可能獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。“我們做科學(xué)，最主要是想做一些有意思的，而且可能會(huì)對(duì)社會(huì)有影響的工作，但愿我們的工作能夠幫助那些遭受疾病折磨的人”， 張鋒就此回應(yīng)說(shuō)。他表示，在做自己非常感興的事情同時(shí)可以得到其他人的肯定，“是一種幸運(yùn)”。
（柏濤、張厲對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)。）
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