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生命科学,有意思!

前几天,一家叫Editas medicine的基因公司刷爆了我们这些生物狗的朋友圈。原因有两个,一是因为它获得了1.2亿美元的B轮融资,而且投资人名单里同时有比尔·盖茨和谷歌风投;第二,这家公司背后有一项让大家期待而又恐惧的暗黑技术。今天我们就给大家深度扒一扒这项有科幻意味的技术。有多暗黑呢?据说基因界已经集体吓尿,就连MIT和《Nature》、《Science》,都撰文呼吁科学家要保持理智,不要瞎编辑。今天我们就给大家深度扒一扒这项有科幻意味的技术。

 

CRISPR:基因世界的剪刀手

 

首先你要知道Editas medicine是一家基因编辑公司,他们手里握着一项叫CRISPR的基因编辑技术专利。啥叫基因编辑呢?就是用某些技术手段修改你的基因。以前大家对基因检测都有一个困惑:你查出来我基因变异又怎样?这东西也改不了啊!现在Editas medicine告诉你:可以改!

 

其实,在CRISPR技术火起来之前,科学家就已经开始使用另外两种技术:ZFN和TALEN基因编辑技术。但是这两种方法的缺点是编辑效率低,成本高,精度也不够。2012年,加利福尼亚大学生物化学与分子生物学Jennifer Doudna教授和 德国亥姆霍兹中心Emmanuelle Charpentier教授成功地揭示了CRISPR编辑的原理,于是基因编辑一夜成名。有网友评论,与TALEN和ZEN相比,CRISPR可以说是更高、更快、更强,属于奥运宝宝。

 

那么CRISPR系统到底是怎么运作的呢?说到这里,就不得不佩服造物主的伟大与公平。CRISPR这一强大的系统最初发现于大肠杆菌。我们知道大肠杆菌有个天敌,叫噬菌体病毒,它可以将自己的DNA注入大肠杆菌体内,从而扰乱大肠杆菌的生命活动。当噬菌体的DNA进入大肠杆菌之后,就会将自己整合到大肠杆菌的DNA里面,然后大肠杆菌启动这部分的DNA转录成RNA。RNA就与一种叫Cas9的蛋白质结合,找到和它互补的噬菌体DNA,这样CRISPR/Cas9就整体结合到噬菌体的DNA上去了。然后Cas9就可以把噬菌体的DNA扯断了,这就是剪切的过程(已经看晕的同学请直接戳下面的图片看演示视频)。

 

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CRISPR-Cas9基因编辑技术

 

目前科学界比较认同的观点是,CRISPR技术发现于1987年,但是当时并没有搞明白其内在的机制原理。1995年,科学家发现CRISPR在微生物中普遍存在。接着2007年,科学家才发现CRISPR其实是细菌防御病毒侵染的系统。最终直到2012年,CRISPR编辑的原理才被彻底揭示。紧接着发生了一件重要的事情,2013年哈佛-麻省理工博德研究所的华裔教授Feng Zhang和哈佛医学院George Church教授同时独立证明了,CRISPR可以用于人体细胞的基因编辑。至此,关于CRISPR的科研经费和科研论文开始井喷。

 

CRISPR催生了一大筐伟大的科研项目

 

自从科学家发现了CRISPR的原理之后,便开始琢磨着如何让CRISPR造福人类(以前都是在害我们)。于是科学家便对CRISPR做了修饰和改造,然后就有了下面这些研究成果。

 

CRISPR系统用于疾病治疗的研究。麻省理工学院的研究人员利用CRISPR系统,成功干掉了受到感染的哺乳动物肝细胞中的乙肝病毒(HBV) [1];德州大学西南医学中心的研究人员利用CRISPR基因编辑技术,阻止了小鼠杜氏肌营养不良导致的肌肉退化[2];杜克大学的研究人员利用CRISPR基因编辑技术,选择性地破坏HPV的两个负责宫颈癌细胞生长的基因,成功阻止了癌细胞的生长[3];加州大学旧金山分校研究人员采用CRISPR编辑T细胞基因组,成功的改造了T细胞,并使其具备治疗HIV的能力[4];加州大学旧金山分校的研究人员使用CRISPR改写β-地中海贫血的突变基因[5],以达到治疗地贫的目的。

 

CRISPR系统用于疾病发病机制的研究。癌细胞基因组测序已揭示出成千上万个与癌症相关突变,但是要研究这些突变与癌症的关系,必须建立小鼠突变体。但是传统的培育方法费时、费力、费钱(笔者当年跟一位师兄做研究,敲除一个基因花了3年的时间)。麻省理工学院的研究人员证实利用CRISPR基因编辑系统可将致癌突变导入到成年小鼠的肝脏中,这使得科学家能够加快研究癌症与突变之间关系的进程[6]。这项技术将改变“突变一个基因的工作量,足够一个学生写上一整篇论文”的窘境。据粗略统计,使用ZFN和TALEN编辑基因,费用高达数千美元,而CRISPR只需要几十美元。来自Broad研究所和麻省理工学院的研究人员利用CRISPR,构建出了肺腺癌的模型[7]。

 

利用CRISPR系统对付产生耐药性的细菌。近年来,随着人们对抗生素的滥用,导致很多细菌对最厉害的抗生素都产生了抗性。这些超级细菌,每年导致大量的患者死亡。由于新抗生素的发现的极其困难的。因此,麻省理工学院利用CRISPR基因编辑系统使得赋予超级细菌耐药或致病能力的基因失活,甚至可以选择性杀死携带着有害基因的细菌[8]。

 

利用CRISPR系统探究对生命体基因编辑的可能性。南京大学的黄许行教授利用CRISPR基因编辑技术,对猴和猪的基因做了定向改造,成功的获得了活蹦乱跳的猪[9]和猴[10]。

 

上面介绍的只是海量的CRISPR应用研究的非常小的一部分。2014年一年便有700篇左右关于CRISPR的研究论文,它们分布在各个领域。

 

科学界的研究成果,总会让我们感到莫名的兴奋。但是上面所有的研究,基本都是停留在实验室内的基础研究。下面将要介绍的4家公司,也许会将CRISPR基因编辑技术带进现实。

 

将CRISPR带进现实的四驾马车

 

目前在基因编辑届,公认的大牛是2012年揭示CRISPR编辑的原理的Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier,和2013年证明CRISPR编辑可以用于人体细胞基因编辑的Feng Zhang和George Church。也正是他们四人,或联合,或独立创办了以下四家基因编辑公司。

 

Caribou Biosciences成立于2011年10月,创始人为Jennifer Doudna,Rachel Haurwitz,Martin Jinek和James Berger。2015年4月2日获得1100万美元A轮投资,投资方为Fidelity Biosciences,Novartis(诺华),Mission Bay Capital,5 Prime Ventures等。Caribou Biosciences关注的领域为:科学研究、工业生产、治疗和农业四大领域。

 

Editas medicine成立于2013年11月,创始人为Feng Zhang,Jennifer Doudna,George Church等。2013年11月25日获得4300万美元A轮投资,投资方为:Flagship Ventures,Polaris Partners 和 Third Rock Ventures;2015年8月10日获得1.2亿美元的B轮融资,由Boris Nikolic领投,Google Ventures等跟投。关注的领域为:治疗。

 

2015年5月27日,国际领先的生物制药公司Juno Therapeutics宣布与Editas medicine独家合作,他们合作重点在CAR-T(嵌合抗原受体,目前被寄予厚望的癌症治疗手段)和TCR(高亲和力T细胞受体)两种癌症治疗方法上。合作协议规定,Juno Therapeutics将给予2500万美元的预付款,以及未来五年的2200万美元科研经费。

 

CRISPR Therapeutics成立于2013年11月,创始人为Emmanuelle Charpentier,Rodger Novak等。2014年4月24日获得Versant Ventures的2500万美元A轮投资;2015年4月29日获得SR One追加的3500万美元的A轮投资,以及Celgene Corporation等的2900万美元的B轮投资。关注领域为:治疗。

 

SR One是葛兰素史克(GSK)公司独立法人的企业风险投资部门。SR One主要的投资对象为,会对全球医疗健康产生重大影响的新兴生命科学公司。GSK是一家以科学为主导的全球医疗保健公司。GSK在制药,疫苗和消费保健品的三个主要领域研究和开发了一系列创新的产品。

 

Celgene是一家生物制药公司,主要专注于开发治疗癌症和其他的免疫、炎症疾病。

 

Intellia Therapeutics成立于2014年11月,由Caribou Biosciences和Atlas Venture联合创办。2014年11月18日获得Atlas Venture和Novartis(诺华)领投的1500万美元。关注领域为:治疗。2015年4月22日Jennifer Doudna加入。

 

Novartis是一家总部位于瑞士巴塞尔的制药及生物技术跨国公司。它是癌症治疗方法CAR-T技术的引领者。Novartis拥有CAR-T细胞疗法的临床经验以及完善的生产设备。Novartis在宾大医学院建立了全球首个综合性的CAR-T细胞疗法开发中心。Novartis与Intellia Therapeutics的合作,将促使CAR-T技术与CRISPR/Cas9基因组编辑技术的结合,开发出威力更加强大的癌症治疗方法。此外,Novartis还会和Intellia Therapeutics共同利用CRISPR基因组编辑技术研究造血干细胞(hematological stem cells ,HSCs)相关的疾病,包括镰状细胞病、β-地中海贫血。

 

以上四家公司基本在创立之初就受到了各大药企巨头的关注。尤其是在癌症的治疗领域。Novartis作为CAR-T技术的世界领先者,接连投资Caribou Biosciences和Intellia Therapeutics,体现出CRISPR基因组编辑技术在癌症治疗领域的巨大潜力。

 

最后不忘毁三观:你能接受基因定制的宝宝吗?

 

前面已经介绍过,南京大学的黄许行教授利用CRISPR基因编辑技术,在受精卵中对猴和猪的基因做了定向改造,并成功的获得了活蹦乱跳的猪和猴。一个是在生理学、解剖学和寿命等方面与人类具有一些相似的特征的猪,一个是人类的近亲猴。在这两种生物身上已经实现了基因编辑。那么人类的基因可以编辑吗?

 

由于基因编辑技术大热,MIT于2015年3月5日刊登Antonio Regalado撰写的评论性文章《定制完美婴儿》(Engineering the Perfect Baby)[12],副标题是:科学家已经发明出可以编辑未来孩子们基因的技术,我们是不是应该趁现在还不晚,阻止它的发展?

 

MIT的这篇文章也产生的社会效应巨大,紧接着国际顶尖学术期刊《Nature》和《Science》杂志皆发表评论性文章,呼吁科学家暂时停止对人类胚胎DNA编辑的研究。

 

就在各方还在因为伦理问题,而展开激烈的辩论的时候。2015年4月18日,中山大学生命科学学院的黄军就教授在《Protein & Cell》杂志上首次发表了编辑人类胚胎相关的论文[11]。至此,基因编辑人类胚胎的传闻就变成了事实。顿时引起了轩然大波。

 

实际上黄军就使用的人体胚胎是不能发育成人的,这些胚胎是体外受精过程中出问题的胚胎(有三套染色体,是不能正常发育的)。

 

黄军就领导的研究小组试图利用CRISPR技术,在这些胚胎中编辑引发β-地中海贫血相关的基因–HBB。研究小组想要确定利用CRISPR技术是否能够编辑人类胚胎中的基因。黄军就研究小组发现,CRISPR技术能够有效的切割胚胎细胞的DNA,但是定向修复的效率非常低。结论是,只有提高CRISPR技术的特异性和保真度,才能将CRISPR技术用于人体胚胎的编辑。

 

2015年5月18日,美国国家科学院(NAS)和国家医学院(NAM)宣布,将为人类胚胎和生殖细胞基因组编辑制定指导准则[13]。

 

参考文献:

[1]、CRISPR/Cas9 cleavage of viral DNA efficiently suppresses hepatitis B virus,02 June 2015,Scientific Reports;

[2]、Prevention of muscular dystrophy in mice by CRISPR/Cas9-mediated editing of germline DNA,August 14 2014,Science;

[3]、Inactivation of the human papillomavirus E6 or E7 gene in cervical carcinoma cells using a bacterial CRISPR/Cas RNA-guided endonuclease,6 August 2014,Journal of Virology;

[4]、Generation of knock-in primary human T cells using Cas9 ribonucleoproteins,June 29, 2015,PNAS;

[5]、Seamless gene correction of β-thalassemia mutations in patient-specific iPSCs using CRISPR/Cas9 and piggyBac,August 5, 2014,Genome Res;

[6]、CRISPR-mediated direct mutation of cancer genes in the mouse liver,06 August 2014,Nature;

[7]、Rapid modelling of cooperating genetic events in cancer through somatic genome editing,22 October 2014,Nature;

[8]、Sequence-specific antimicrobials using efficiently delivered RNA-guided nucleases,21 September 2014,Nature Biotechnology;

[9]、Efficient generation of gene-modified pigs via injection of zygote with Cas9/sgRNA,05 February 2015,Scientific Reports;

[10]、Generation of Gene-Modified Cynomolgus Monkey via Cas9/RNA-Mediated Gene Targeting in One-Cell Embryos,13 February 2014,Cell;

[11]、CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes,18 Apr 2015,Protein & Cell;

[12]、Engineering the Perfect Baby,5 March, 2015,Technologyreview;

[13]、US science academies take on human-genome editing,18 May 2015,Nature;

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