CRISPR-Cas9

Source: yourgenome.org

基因編輯雙胞胎出世的新聞刷了好幾天。

看到好幾個沉寂多時的科幻群科普群吵的很兇，以 CRISPR 為代表的基因編輯工具還被帶上潘多拉盒子的帽子。

看到的觀點大致分兩派：

1）即使能免于艾滋病病毒的感染，也可能會產生其他問題。得小于失，我們不應該冒這個風險。

2）不見得能免除艾滋病，但是卻用嬰兒的健康打賭。違背倫理，根本不應該用這個技術預防艾滋病。

當然還有反對基因編輯這個技術的，認為不知天高地厚的科學家萬一創造出自然界不存在的基因，混入人類基因庫，那人類距離滅亡就不遠了。也有看到支持這個技術的，說什么“生物科技本來就存在風險，難道靠藥物維持生命就好”的言論。

然后我心里就掛著兩個個大大的問號。

到底如何評價這次事件？如何看待這個新技術？（知乎體附身

1

作為一個離開生物界好久的人，不得不承認知識點早就還給老師了（慚愧。

不過走之前最后一年，有聽說過 CRISPR 的大名，印象中是個很牛的技術。沒想到這次事件引起那么大范圍的討論和恐慌。所以出于好奇，我給自己列了個題綱，希望先了解事件始末和技術原理，再下結論。

畢竟不了解清楚事件之前就存在的立場，可能是情緒化的產物。那是人類杏仁核的本能表現，未知所觸發的恐懼。

先說我們聽得比較早的基因工程。

自從人們意識到，每一個功能蛋白的表達背后都是一個基因說了算之后，大家開始希望通過基因層面的改變，可以獲得原本沒有的功能或性狀，或者是扔掉對于我們而言有害的性狀。

基因工程，可以通俗地理解為，采用生物學手段，在基因水平上改變一個生物體的遺傳信息。

本質上，做的事情和孟德爾爺爺雜交豌豆并沒有什么不同。

只不過孟德爾爺爺是采用了雜交方法，也就是基因重組，才使得子代豌豆同時獲得父母的性狀。豌豆不同性狀的背后，是不同的基因。

而這個不同，來源于自然界中 DNA 復制出錯（基因突變）。

而基因工程后獲得的新性狀，其遺傳信息是人為添加到生物體內的。并且這個外源基因是來自于另外一個物種。

讓大多數人害怕的點就在這里。

跨物種的外源基因添加到某種生物體內后，會不會造出什么妖魔鬼怪，會不會超出人類控制范圍，人類會不會因此滅絕等等。

問題是，不管你是自然界突變之后來的，還是從別的物種里提取的，對于生物體本身而言，一概是外源基因。

外源基因融合到了原有基因組中后，生成怪物的幾率，并不會因為外源基因的產生方式而改變。

打個不太恰當的比方。

來自不同世界的兩個人，或者說一個異類闖入了一個群體，這個異類能存活下來就很不容易，如果還能發揮出原先世界的社會功能那已經相當理想。

但要指望這個異類一下把整個原來群體的環境洗牌，使得全員 upgrade 變成更強大的群體。不能說這種可能絕對不存在，但肯定需要時間和變異的積累。

盡管基因工程所擔心的后果暫時是個未知數，但帶來的便利卻切實存在。

比如海洋生物里才有的綠色熒光蛋白 GFP ，通過腺病毒轉導到小鼠的大腦里，就能用來標定特定的神經元，用以觀察活體神經元的生長狀態。

海馬里的 DG and CA3 區域

Source DOI:10.7554/eLife.36664

還有更多生物體的功能被轉基因工具增強，比如抗旱的花生，幫忙生產胰島素的大腸桿菌。用現在AI圈流行的話講，這相當于給生物體賦能。

除了往生物體里加功能的，當然也有操作是想辦法讓某些功能消失的。比如 RNA 干擾，同源重組。比如說，制造出某種基因敲除的動物模型，用以研究這個基因的功能。

總的來講，基因工程的結果無非是增減生物體的功能，體現到基因水平上的改變為基因的插入、刪除、替換。

不過，在基因編輯以前，上述的幾種基因工程方法操作非常粗礦。

要么，外源基因是被隨機地插入原有的基因組中。因為人們應用的訴求很簡單，只要獲得想要的性狀。也就是這段外源基因表達出來就好了。至于這段基因插在哪，不重要。

要么，敲除基因的話修改位點夠準，但費時，成本高（比如同源重組），有些方法的有效期還短（比如 RNAi ）。

直到出現了 CRISPR-Cas9 ，人們才大范圍地低成本精確定位到修改位點（ CRISPR之前還有另外兩個基因編輯方法 ZFN ，TALEN ，暫不展開）。

換句話說，就是基因修改的效率大大提高了。

如同能量的利用進程——從蒸汽時代到電力時代，能量可以被精確地切割成更小的單位，使得能源利用效率大幅提高。

這肯定是件好事。

CRISPR ，全稱是常間回文重復序列叢集，相當于細菌防御系統，用于識別再次入侵的病毒。而這段序列，其中有一段長度為20個核苷酸左右，是細菌苦心從入侵過的病毒身上摳下來的片段。

除了這個片段，細菌的防御還需要一種可以精準剪切的核酸酶Cas9來配合。你可以把Cas9看成一把剪刀??。

依照細菌留下的這一小戳病毒的片段作為模板，造出「引導RNA」。再把這段引導RNA內嵌到剪刀Cas9蛋白的凹槽里。

此時，Cas9相當于擁有了一張病毒身份識別卡。一旦發現有誰能躺進凹槽里與引導RNA糾纏不清，Cas9就會咔嚓把這個病毒（or嫌疑犯）的雙螺旋鏈給剪了。

Genome Editing with CRISPR-Cas9

Source:?McGovern Institute for Brain Research at MIT

劫持細菌任務失敗，病毒領盒飯遺憾離場。

科學家看中Cas9剪刀的本事，希望用它進一步精準操控基因改變。于是，CRISPR-Cas9晉升成了強大的基因編輯工具。

但這個CRISPR-Cas9有個天然的bug：Cas9剪切的觸發條件比較寬松。說具體些，就是大致能和gRNA這張卡匹配的DNA片段，都會Cas9蛋白被剪斷。

對于要活命的細菌來說，外侵的病毒，寧肯殺錯，也不能放過。「差不多像就剪斷」沒毛病。

但用在我們基因編輯里，這種「差不多」會引發天下大亂。

因為有些非特異性的片段，也就是序列相似的非目標片段，也能結合上引導RNA，最后慘遭剪刀毒手。剪錯在非編輯序列上好說，不算捅簍子。但如果剪錯在功能基因上，那原來的功能肯定失常。后果將不堪設想。

所以，科學家都在努力地降低CRISPR的脫靶率。

努力的方向大致有三個:

1）重新設計引導RNA序列，減少和非靶向序列匹配的可能；

2）把Cas9的結合環境改得更嚴格，或者只能剪一條鏈；

3）一段時間后加Cas9結合的阻斷劑，減少結合時間，減少錯配。

舉個2）的例子。

2015年11月底，張峰團隊在《科學》上發表了一種降低脫靶方法：把剪刀Cas9蛋白凹槽里的正電氨基酸替換成中性的氨基酸。

由于DNA帶負電，一旦凹槽結合位點的氨基酸改成中性的Cas9后，可以排除不必要的非靶向結合。實驗結果表明，采用這個方法，脫靶現象已經降低到檢測不到的水平。

但檢測不到，不意味著沒有發生脫靶。或即使檢測出來的結果顯示發生脫靶，也無法證明真的脫靶了。

這兩句看起來滴水不漏的廢話，實際上是現有的脫靶檢測技術的鍋。技術水平不夠，無法擺脫假陽性、假陰性問題，所以只能停留在實驗室階段。

這才是國內外科學家強烈反對這次基因編輯嬰兒事件的主要原因。大部分人認為這項技術的安全條件根本不夠，時機不成熟，根本不能應用到人身上。

邊查維基，邊想起高中生物老師的臉。必修1知識重新歷歷在目_(:з」∠)_

艾滋病是一種獲得性的免疫缺陷病。

其致病原是HIV病毒，被感染的人體內的免疫細胞（T細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞）會被HIV病毒識別并攻擊，導致人體免疫能力下降。下降到一定程度之后，人體喪失免疫能力，最后容易死于普通炎癥或感染。

艾滋病發病以前，很多人并不知道自己攜帶了艾滋病病毒，照樣正常生活。

即使知道自己是攜帶者，只要防護措施得當，也可以像普通人一樣擁有家庭。比如這次雙胞胎的父母，爸爸是攜帶者，但媽媽是正常人。

現在治療艾滋病的手段，主要是華裔科學家洛克菲勒大學教授何大一發明的雞尾酒療法，原理是阻斷艾滋病病毒在體內復制組裝的過程，從而減緩病毒的擴散，盡可能維持免疫細胞的數量和功能。采用這種方法，可以有效延緩攜帶者的發病期。

不過，攜帶者必須終生服藥，而且劑量比較難控制。

劑量低了，無法抑制病毒復制；劑量高了，有副作用。加上艾滋病病毒不斷演化，會不斷對現有藥物產生抗藥性。現在這種治療方法，只能是讓人體和病毒“友好”共存，還不能達到清除病毒的目的。

所以，科學家們還在繼續尋找更好的根治方法。

HIV 病毒入侵免疫細胞，需要門卡。其中一種主流的門卡，是免疫細胞膜上的受體蛋白 CCR5 。

這個 CCR5 就是這次基因編輯嬰兒被修改的基因位點。原理正是廢了門卡，把病毒擋在外面。

科學家們怎么知道要廢這張門卡？

大家一開始也沒有上帝視角。直到有人注意到，有一些北歐性工作者雖然攜帶著病毒，卻一直沒有發展成艾滋病。科學家繼續往深了追，才發現這部分人的CCR5基因骨骼清奇，比正常人的少了一截（32個堿基）。后來，就把這類型命名為 CCR5?32 。

根據基因組數據追溯到，部分高加索人攜帶 CCR5?32 基因，他們不僅可以有效地抵抗艾滋病病毒的感染，其他生理功能也都表現正常。他們身體很健康，和普通人沒什么區別。

這一發現給艾滋病的根治帶來了新的希望。

有一美國人 Timothy Ray Brown ，非常不幸身患兩種絕癥：白血病和感染了HIV病毒。2007年，為了治白血病，他在德國柏林夏洛特醫院接受了骨髓移植治療。

碰巧，他的臨床主治醫生 Eckhard Thiel 發現，60個骨髓匹配的捐贈者中正好有一個人帶有 CCR5?32 基因。考慮到 Brown 的情況——也感染了艾滋病，專攻血液學和腫瘤學的 Thiel 就有了個大膽的想法：反正都能治白血病，不如試一下用 CCR5?32 基因的骨髓。

幸運的是，術后 Brown 體內的 HIV 病毒量就開始下降！停了雞尾酒療法三年后，他體內已經檢測不到任何 HIV 病毒！

Brown 成為了第一位感染 HIV 病毒后痊愈的病人。

盡管這次骨髓移植治愈 HIV 病毒的效果顯著，但是對于沒有患白血病的 HIV 攜帶者來說并不能隨便進行骨髓移植。因為捐贈者的骨髓里有白細胞，會認為患者是異體從而發起攻擊，造成 GVHD 反應（全稱是移植物抗宿主病）。

而要找到骨髓匹配且有 CCR5?32 的概率很低，所以這并不是個可大面積推行的方法。但 Brown 的病例卻啟發了醫學界。人們意識到，通過基因層面的改變，完全有可能根治艾滋病。

七年后，賓大 Carl H. June 教授團隊成功將HIV感染者體內的白細胞 CCR5 基因改成 CCR5?32 ，然后再把這些人工剪切過的白細胞放回他們體內。結果檢測到他們體內的病毒量在逐漸下降，甚至部分人身上已經檢測不出病毒。

這些成功案例加起來，都說明 CCR5?32 清除 HIV 病毒可行。

2

搞清楚了這次事件相關的知識點之后，我再到處翻了翻這次基因編輯嬰兒事件大家爭論的幾個角度。

反對的聲音大概有：

1）不應該使用基因編輯技術。尤其不能用在人身上，拉大了貧富差距怎么辦，人的基因庫紊亂怎么辦。用在嬰兒上更加是罪不可赦，這兩個孩子長大身體出現不可預測的疾病怎么治，怎么可以用嬰兒的未來健康作賭注；

2）現在不能用到人身上，技術還沒有成熟，脫靶檢測技術還不夠硬，結果不可信；

3）這個實驗用在預防艾滋病上完全沒有必要，嬰兒都是健康的，而且感染HIV病毒的幾率那么低，即使以后感染上了也可以靠藥物控制的，為什么要為了微乎其微的預防收益去冒這么大的風險。根本不是什么為了科學進步的實驗。

簡單說，反對的點主要有三方面：技術；對象；目的。

最后一點是可以接受技術使用范圍，也伴隨著對時間，空間限定的討論。應不應該是現在，以及是否應該只在體細胞上編輯，而不要動生殖細胞。

這些反對觀點其實回答的問題是：

1）這個技術該不該用？

2）能不能用到人身上？

3）用于解決什么問題才合理？

在挨個分析這些反對論點以及支撐它們的論據以前，我們需要一張圖鎮樓。

這個圖叫 Hierachy of Disagreement ，反駁金字塔，由被 CS 耽誤的畫家 Paul Graham 提出（Paul Graham也是美國著名創業投資公司 Y Combinator 創始人，YC 的新聞網站 Hacker News 是訪問量最高的技術新聞來源之一）。

所以這次賀建奎這次拿嬰兒做基因剪輯實驗的事件里，那些「就是想出名想瘋了」、「賀建奎是7家公司的股東、6家公司的法定代表人，說他是學者倒不如說他是個商人」之類的評價，完全沒有討論到基因編輯這個實驗本身。

也有部分媒體翻出了賀建奎的過往，但這同樣與實驗本身無關。從物理轉到生物，開了很多公司如何能證明這次基因編輯事件是錯的？

說回前面最關鍵的三個問題。

基因編輯這個技術，我們前面分析過了，是一種高精度的基因修改工具。

它是治療基因遺傳病的希望，也幫我們加快研究基因的功能，應用層面可以給生物體的功能加減或增強減弱。一個提高了生物學界研究治療應用效率的工具，即使出于某些原因被禁止，也不過是減慢了歷史進程而已。

至于反對這個技術的原因，擔心“亂”組合會不會造出什么可怕生物，也有擔心物種基因庫被污染之類的想法。

其實，自然界里基因的變異一直在產生。這些變異，與人為制造的變異，對本體的基因來說都一樣是外源的，并沒有區別。至于外源基因的命運，是被清除掉，還是害得個體掛了，或相安無事，或變成更強大的物種，只能交給概率去決定了。

還有人擔心技術雖然是中性的，但落在devil手里全人類就完蛋了。

這里的關鍵在于怎么預防devil，而不是直接把這個工具禁掉。就算禁止，也總有人會想辦法獲取到，到時獲得成本更高，反而變成好人手里沒有這個工具。只怕到時連好人連對抗的資本都沒有，力量失衡，世界萬劫不復。

既然人類存在著需求，要研究人身上的基因，要治療人的基因遺傳病，那這個工具是早晚都會用到人身上的。只是看什么時候了。

像這次基因編輯嬰兒事件，學術圈抨擊的最多的是：脫靶率的檢測問題還沒有徹底解決，無法判斷對其他非靶向的正常基因影響有多大。

不僅如此，由于編輯工具 Cas9 發揮剪切作用的時間滯后，即使注射時期是單細胞，整個胚胎也很有可能只有部分細胞被編輯了。至于那些沒被編輯到的細胞，會不會正好屬于未來會發育成免疫細胞的外側中胚層？

這個問題也無法回答。

還有，雖然我們上面討論過免疫細胞帶 CCR5?32 基因的話，是可以有效阻止 HIV 病毒入侵的。但賀建奎修改后的基因是 CCR5?32 嗎？正好敲掉了32個堿基嗎？

根據果殼整理的賀建奎公開演講，他只提到了觀察到其中一個靶點確實了6kb個堿基，解釋說「還好CCR5這個基因和旁邊的基因離得比較遠，所以丟失了6千個也不會影響下個基因」。（手動問號臉？？？？？大哥您扔32個和6千個是不是差得有點多？？？

也就是說，改完之后根本不是 CCR5?32 ，至于能不能起到同樣的預防感染效果，是個未知數。

脫靶檢測技術還不夠完善，相當于不能排除基因改錯地方的可能；被編輯的細胞不一定是未來會發育成免疫細胞的中胚層細胞，無法確定基因改在了對的地方；不能控制基因修改后的結果，居然能少出幾千個堿基來，不能保證同樣有用的預防感染的效果。

改的哪個細胞，不好說；基因改的位置，不確定；基因改成什么樣，也不可控。請問這些都不確定你開展什么實驗？（還居然用到了人體？還用到了嬰兒身上？？？這才是真正的作死啊

這三點任何一項，都代表著這兩個孩子未來的健康存在著巨大的隱患。這個才是這次基因編輯嬰兒事件最嚴重的問題。

上述的每一點，都應該是上到人體實驗以前，必須要攻克的技術問題。在這些問題沒有解決就拿人做實驗，是拿別人的一生健康作賭注。是個人都會憤怒。

可惜時間不能倒流，畢竟現在孩子已經出生了，她們父母能做的也只有密切關注，發現問題的話早日定位出事的基因位點。看有沒有可能改回來，或者后期制定針對的基因治療方案。

而我們也只能選擇完全忘記這對嬰兒，因為更多的好奇或關注對她們來說都是一種加害。

但科學界早晚得回答一個問題。

能用在人身上的標準是什么？再問細些，得等技術發展到什么程度，具體哪幾個問題解決之后才可以開始用在人身上？

這次賀建奎被diss的很嚴重的還有一點，「用基因編輯預防 HIV 病毒根本沒必要」。

前面也有簡單介紹艾滋病和 HIV 病毒。

盡管雞尾酒療法已經能很好地控制病毒數量，但是對于攜帶者來說，還是得終生服藥。而且劑量很 tricky ，用藥方面也需要擔心病毒迭代的問題。只能和病毒共存，不能完全治愈。這顯然不是解決這個問題的終極方案。

找出更高效，成本更低的方案對所有人來說都是件好事。

所以我不認為問題出在嘗試用新的技術解決已有的疾病。如果基因編輯能解決上一小節所說的安全性問題，確保修改位點的精準，那基因編輯能 once for all 地解決 HIV 病毒，不是更好嗎？

反過來說，在那三個問題沒有解決以前，用在任何疾病的治療上都是錯的。即使是本來就帶有遺傳病的孩子。

不少聲音說，「這雙胞胎本來很健康沒病，不應該用來當實驗品，承擔技術未知的風險，還不如用在本身有遺傳病的孩子身上，這樣還合理一些」。

如果真的這么做了，也只是錯的程度看起來少一些而已（評估標準是風險還是那些，然后收益可能會大一點）。但底子上，從科學實驗的角度來講，還是錯的。

除了用于治療之外，肯定也有人想用基因編輯增強自己的能力。

在油管發布的視頻里，賀也提到了，只會把這個技術用在治療疾病上。這幾天相關文章的留言也提到了很擔心貧富差距加大的問題。

但這里探討的實際上就是技術應該使用的范圍，邊界在哪里了。

如果人類發現有個基因的功能是能讓人變得更聰明或者變美，那希望自己或自己的孩子變得更聰明漂亮的人可不可以購買這個增強智力的服務？做這個手術合不合理？

人的欲望是個強大的驅動力。

即使公眾覺得不合理，有資源的人肯定也在做了。所以這個是擋不住的趨勢。沒有這個技術以前，貧富差距也在。差距的產生或加速，怪不了這個技術，而是多代人的智力財富付出的積累速度差造成的。我們能努力的只有做好我們自己這一代。

技術，本質上是解決問題，相當于給他人服務。

從服務的角度講，只要雙方自愿，沒有傷害到別人，那么交易都沒有理由被禁止。至于交易本身可能不符合一部分群體的想象，然后某段時期內順應min意被法律法規明面禁止，結果無非是轉到地下。

發展規律，擋不住的。

3

這一個星期以來，都在密切看各家大號對于基因編輯的文章，也翻了些資料。覺得丁香園和果殼最良心，盡可能還原事情原貌，接近事實真相。不迎合大眾踩低或人頭以往的背景，而是深挖技術原理，從科學的角度評論這次事件，更客觀理性。是我尊敬的媒體的樣子。

最后，總結一下據目前信息推演出的結論。（當然如果出現新的信息的話，觀點也有可能evolve

基因編輯這個技術很牛逼，是個革命性的高效率工具。造出弗蘭肯斯坦的概率非常低。早晚會用到人身上，但是什么時候才能用這個準繩還在等科學界的回答。技術應用范圍不會限于疾病治療，貧富差異早就存在，這是自然規律。

很擔心基因編輯會因為這次事件蒙上陰影。擔心以后大家一提到這個詞都是恐慌。希望大家能區分開來，這個技術的好壞未來，和科學界討伐這次事件完全是兩回事。

更希望，到時的基因編輯技術可以強大到，彌補這次事件可能給兩個孩子造成的錯誤和傷害。

參考資料

CRISPR：https://dwz.cn/jqo8ebwG

如何改善脫靶效應：https://dwz.cn/v1AHuJmE

國外對基因編輯嬰兒事件報道：

http://t.cn/ELnOtm7

http://t.cn/ELnO6pt

孫永濤等.趨化因子受體CCR5及CXCR4在HIV_1感染中的作用.[J].細胞與分子免疫學雜志,2010,26(5):508-510.

基因突變，抗愛滋利器：http://t.cn/ELnO9gB

賓大醫學院再次實現基因療法治愈艾滋病：http://t.cn/ELnOO1U