张锋：人类2.0时代的基因“黑客”（上）
文 MICHAEL SPECTER
编译 马子颂 陈慧乾 许秀华 南溪
34岁的张锋是哈佛布罗德研究所(Broad Institute of
Harvard)和麻省理工大学最年轻的核心成员。年纪虽轻，却已成绩斐然。1999年，当他还在得梅因市读高中时，发现了一种可以阻止逆转录病毒(如HIV)侵染人体细胞的结构蛋白。凭着这项发现，他获得了英特尔科学奖第三名。他从总奖金里拿出了5万美金用于支付哈佛的学费。当时他在哈佛读的是化学和物理。可到了2009年他从斯坦福大学博士毕业时，他已经转向了光遗传学领域。在这门强大的新兴学科中，科学家们通过光来研究个体神经元的行为。
张锋决心成为一名生物工程师，创造出修复破损基因的工具来解决人类那些痛苦的烦恼。次年，作为学者学会的一员，张锋回到了哈佛，并成为了使用类转录激活因子效应物(TALEs)基因组定点操控技术来操控哺乳动物基因的第一人。某个分子生物学家写到：“试想一下，操控特定区段的DNA和纠正一个小小的打字错误一样简单……虽然永远不太可能会做到如此方便，但新的技术已经近在咫尺了。”
张锋在29岁时受邀到哈佛布罗德研究所组建自己的实验室，那时他已经给全球数千个实验室都在使用的基因工具箱贡献了两个关键的组件。在来到布罗德研究所之后不久，他便参加了一个会议。在这次会议上，他的同事提及在他们研究的一些细菌里发现了奇特的DNA区段，并称其为CRISPR序列。
基因编辑大师——张锋。
图片来源：Kent Dayton
我和张锋坐在他的办公室里聊着天。从办公室望出去便是查尔斯河和灯塔山。他长着一张圆的脸。在长方形金丝边眼镜和发型的映衬下显得更圆了。“我从来没有听说过那个词。于是google了一下，想看看那到底是什么”，他说。他几乎读遍了所有他能找到的文章。5年之后，他仍惊讶于他当时的发现。他发现CRISPR这一串奇特的DNA序列可以识别入侵的病毒并利用特殊的酶来将这些病毒粉碎，用剩下的病毒碎片来形成初级免疫系统。这段序列无论正着读还是反着读，核苷酸序列都一样，看起来像莫尔斯电码。这个系统全名很拗口，叫“短回文重复序列”(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)，但首字母缩写却很好记。
CRISPR 由两部分组成。第一部分是可以切割 DNA 的“手术刀”。第二部分是传递基因组信息的RNA。RNA就像一个向导，领着“手术刀”在茫茫的基因中搜寻，直至发现那些需要被剪切的核苷酸序列，然后将自己贴合上去。十九世纪巴斯德做了一系列病理实验，然后人们就清楚地认识到，人类和脊椎动物的免疫系统是可以应对新的威胁的。但很少有科学家意识到细菌也可以用相同的方式来保护自己。在听闻CRISPR 之后的第二天，张锋就飞往佛罗里达参加遗传学会议。然而他并没有参会，只是待在旅馆房间里不停地google。“我坐在房间里读了我能找到的每一篇关于CRISPR的文章。越读越兴奋。”他说。
张锋和其他科学家很快发现，如果大自然可以将这些分子转变成遗传信息的“全球定位系统”，那么我们人类也可以。研究人员迅速研究出如何合成向导RNA，并且将他们送到每一个细胞里去。一旦剪接酶锁定了匹配的DNA序列，它就能剪切和粘贴核苷酸，如同word里查找替换功能一样精确。“这是一个令人难以置信的重要发现!它势必引发改变遗传研究的连锁反应”张锋说道。
科学家可以通过CRISPR来改变、删除和替换任何动物里的基因，也包括我们人类自己。这类实验在老鼠身上做得最多，研究人员已使用工具纠正了导致镰状细胞性贫血、 肌营养不良症和囊性纤维化的遗传缺陷。一个小组替换了引发白内障的突变位点。另一个小组破坏了艾滋病病毒穿透我们免疫系统所需要的受体。
CRISPR 对生物圈的影响同样深远。去年，通过删除一个小麦基因的所有三个拷贝，由中国遗传学家高彩霞领导的团队创造出了一个完全抗白粉病的新品种。白粉病是世界上最普遍的枯萎病之一。9月份，日本科学家利用该技术，通过关闭控制成熟速度的基因，延长了西红柿的生命周期。农业研究人员希望这种优化作物的方法比转基因的争议少一些。转基因是将外源DNA转入到食品的基因中去。
CRISPR前所未见的强大，编辑基因代码使新一代的医学治疗成为可能。
图片来自《纽约客》
这项技术也给研究复杂的疾病提供了全新的思路。亨廷顿氏舞蹈病和镰状细胞性贫血等疾病是由单个基因缺陷引起的。但自闭症、糖尿病、癌症和阿尔茨海默氏症，这些可怕的疾病背后是数百个基因的变化。弄清之间的联系最好的方法就是在动物模型中做试验。这种试错法会花上好几年的时间。CRISPR有望将这个过程变得更简便、更精确、更快。
这项技术也将无可避免地被科学家用来纠正人类胚胎细胞中的遗传缺陷。任何一点改变，都会影响到整个基因组，最终会被遗传给子孙后代。这一切变得比以往都更为现实了。科学家将能够重写最基础的生命代码，给我们的后代带来不可预知的后果。满是改造人的反乌托邦世界给人们带来的对未知的恐惧，一直以来都是关于科学进步辩论的一部分。
在上个世纪的大部分时间里，生物学一直在试图回答三个基本的问题: 每个基因是做什么的?我们如何找到致病的基因突变??我们该如何处理这些突变的基因? CRISPR诞生之后，这些问题便有了答案。我们正在接近遗传学的大统一论。温斯顿•严是张锋研究小组中的一员。他说道：“我不知道黄金时代是什么样的，但是我觉得我们已然身处其中了。”
自从1953年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构之后，生物学的一项重要使命就是了解4种化合物——腺嘌呤、 鸟嘌呤、 胞嘧啶和胸腺嘧啶的排列组合是如何决定人与人，人与其他物种之间的不同的。CRISPR不是第一个帮助科学家实现这个使命的工具，但它是第一个可以让任何一个只需拥有基本技能和几百美金设备的人轻松掌握的工具。
汉克·格里利是斯坦福法学院的教授，也是法律与生物科学研究中心主任。“CRISPR是遗传学里的福特T型车”。汉克·格里利说道。 “福特T型车不是第一辆小汽车，但它改变了我们驾驶、工作和生活的方式。CRISPR使困难的过程变得便宜可靠。它的精确程度令人难以置信。编辑基因的历史是分子生物学史中重要的一部分。”
科学家在上世纪70年代首次尝试操控我们的基因。他们意识到可以使用限制性内切酶来剪切DNA序列。就在这一刻，自然界中绝不可能交配的物种的DNA在实验室里结合到了一起。但与“手术刀”相比，这些初始的工具更像是把柴刀，而且他们能识别的片段只是茫茫基因组中的沧海一粟，因此编辑起来很难谈得上精确。(试想一下，通过键入"to be"来从所有莎士比亚的著作中搜索出哈姆雷特自杀的独白，那么，和这一章节一起跳出来的还有好几百篇无关的引文)。
2001年，人类基因组计划草图的发布改变了我们对生命的认知。草图帮助研究人员定位了千万个与疾病相关的基因，包括数百种和癌症相关的基因。为了理解这些基因在疾病进化中扮演的角色并加以修复。科学家们需要系统性地以不同的排列组合将基因打开和关闭。直到前一阵子，改变单一基因仍需耗费几个月或几年的时间。
在科学家逐渐使用锌指蛋白之后，这一切才有所改变。和CRISPR类似，锌指蛋白也是一种分子工具，其发现的过程纯属意外。1985 年，科学家在研究非洲爪蟾的基因时，注意到了环绕着DNA 的手指状的蛋白质。他们很快就研究出如何将这个紧紧缠绕的蛋白与DNA剪切酶结合起来使用。二十年后，遗传学家开始使用TALEs来操控DNA。但这两种方法既昂贵又笨重。虽然张锋发表了第一篇使用TALEs改变哺乳动物基因的文章，但他意识到TALEs只是一个过渡方法。“它很难用，我不得不让研究生来制备蛋白，并在我使用这些蛋白做实验之前对他们进行测试，这个过程很麻烦。”张锋说。
张锋对科学的痴迷始于中学时代。那时，他妈妈帮他报了个每周六早晨的分子生物学课程。“那时候我13岁，对分子生物学一无所知。”有天晚上我们一起走过MIT校园里，去往他所任职的大脑及认知科学系的50周年庆典的路上时，张锋说：“这门课将我的想象力完全打开了。”张锋的父母都是工程师。在他11岁时，举家从中国搬到了美国爱荷华州。他们选择留在美国，很大程度上是因为他们认为张锋在这里能够受到更好的教育。
1997年，那年张锋15岁。他获得了在得梅因人类基因治疗研究所(Des Moines Human Gene Therapy Research Institute)的生物安全部门实习的机会，但他随后被告知按照联邦法律未满16岁不得在安全实验室工作。“所以我还得等。”张锋说。在他16岁生日那天，他进入了实验室并见到了在那里工作的科学家。“我被安排到了一个分子生物学家那里。他是化学博士。”他继续说道，“他对科学非常热爱，对我和我的研究产生了巨大影响。”第一天实习，张锋在实验室里待了5个小时，此后每天放学他都会在实验室待上5个小时，直到中学毕业。
张锋非常缄默，说话声音很轻，听起来难免会让人昏昏欲睡。我问他是否认为自己是个温和的人——这种性格很难与获奖的分子生物学家的身份联系起来。“你参加过我们实验室的组会吧?”他回答道。那天早晨我刚好赶上了张锋课题组每周例行的组会的结尾。我亲眼看到他既温和又毫不留情地驳斥了组里一个人所做的报告。当我跟当时在场的一个科学家提到这件事时，那人回道，“这不算什么，你应该组会一开始就来的。”
在每周六早晨的分子生物学课上，张锋学会了如何从细胞里提取DNA并确定每段序列的长度。但那并不是他印象最深的事。“我们在课堂上观看了《侏罗纪公园》，”他的声音提高几个分贝，说道，“这实在太神奇了。老师还解释了电影里涉及到的许多科学概念，那些概念听起来是完全可行的。”
我们去了鸡尾酒派对，这通常是身着卡其色衣服的男人和穿着高跟鞋的女人碰出不愠不火风流韵事的地方。张锋在那里待了不到20分钟就匆匆离开回到了实验室。他保留了在认知科学系的教职，因为他希望他的研究能帮助神经科学家更深入地研究大脑。他告诉我说，在他年轻时有位朋友患有严重的抑郁症，而当他得知几乎没有有效的治疗方法时感到非常震惊。这点燃了他对心理学的兴趣。“当你抑郁的时候，人们认为你很脆弱。”他说道，“而这实际上是一种偏见。许多人仍被我们还没有来得及去解决的难题所困扰着。大脑永远都是宇宙中最难懂的那一片空间。”
布罗德研究所于2003年成立，由企业家埃利·布罗德和他妻子伊迪萨出资建立，旨在资助研究生命分子组成以及与疾病的关系。在张锋的实验室里，温斯顿•严向我讲述了CRISPR编辑基因的机制。“我们需要能够在基因组中的精确地切断DNA，”他一边说，我一边看着他工作。他转了下椅子，指着装有待分析和编辑的DNA的瓶子。严有点瘦的，戴着一副眼镜，手上戴有黑色的实验手套和白色的Apple Watch。他拍手耸肩，表示所有的事就是这么简单。
订购编辑DNA的基因组件并不像在Zappos买双鞋那么简单，但其实也差不多。严打开了他实验室桌上的电脑，填写着一家名为整合DNA技术(Integrated DNA Technologies)的公司的订购单。这家公司主要提供合成生物分子组件的服务。“可以在网上下单。如果你想要合成一条序列，通常一两天就能拿到。”他说道。研究人员可以上网订购各种生物分子组件，包括DNA、RNA以及其他所需要的试剂。你可以买到合成可用于实验的脊髓灰质炎病毒(已被实现)或者合成使便便闻起来有鹿蹄草味的基因组件。在剑桥，这家公司通常可以当天送货。另一个机构Addgene成立于十年前，是一家非盈利的序列库，储存着成千上万现成的序列，包括几乎所有在CRISPR技术中用于编辑基因的向导RNA序列。布罗德研究所及其他机构的研究人员每合成一个新的向导RNA，都会向Addgene贡献一个拷贝。
CRISPR依赖一条长为20个碱基的RNA引导分子“手术刀”靶向到DNA靶点。人类有2万个基因，20个碱基之于一个基因的长度就相当于一个人之于全美国人。CRISPR在定位到特定基因方面虽然优于其他系统，但并非完美，甚至有时候会剪切错误的靶点。严想从Addgene订一个现成的探针。拿到这个探针之后，他会将这个探针与一个剪切酶配对，然后靶向到指定的基因。
严在被称为“CRISPR狂热者”之前就加入到张锋的实验室。他补充道：“CRISPR已经改变了这个领域。许多年来在遗传学里有一种还原法，人们一厢情愿地以为会发现导致癌症或者使人更易患有心脏病的基因。但实际上并没有这么简单。”
第二天上午，我来到布罗德研究所的新斯坦利大楼，乘电梯到顶层，然后将口袋掏空，戴上口罩，穿上实验袍，套上靴子，然后穿过气室。气室用特殊的垫片密封起来，同时一台风机不断地往出口吹以防止外来微生物进来。我进入了一个生态缸，这是一条干净的长廊，像是研究单位和医院病房的结合部。生态缸是去年开放的，这里有上千种小鼠以及世界上监控最为精密的设施。
虽然我们对人类细胞发生癌变的机理的认识不断加深，但是还是无法在培养皿上研究突变。自19世纪90年代后期起，转基因小鼠一直作为标准的模式动物。虽然治愈小鼠或导致小鼠死亡的因素不一定在人类身上也有同样的作用。但小鼠的基因组和人类的基因组出奇地相似，价格便宜，容易饲养。与人类以及其他动物一样，小鼠也会患有影响免疫和大脑的复杂疾病。它们会患癌、动脉粥样硬化、高血压、糖尿病以及其他慢性疾病。小鼠每三周繁衍一代，这使得研究人员能一次性研究好几代。技术人员能从小鼠体内取出干细胞，然后在实验室中进行基因编辑，将这些编辑之后的干细胞放回小鼠体内产生胚胎，待其增殖分化后，研究这个基因在动物发育的作用。这个过程很一目了然，但总的来说一次只能研究一个基因的一个功能。
布罗德研究所的生态缸饲养的是完全不同的小鼠，这些小鼠的每个细胞都带有Cas9蛋白(CRISPR相关核酸酶)。Cas9蛋白是一种酶，在CRISPR系统里充当基因“手术刀”的角色。当科学家刚开始用CRISPR编辑DNA时，他们必须将 Cas9蛋白和引导该蛋白的探针注入到细胞内。一年前，张锋实验室的另一名成员兰德尔·普拉特意识到或许能将CRISPR系统分为两部分。他将这个手术刀(Cas9蛋白)的基因植入到小鼠的胚胎，使Cas9的编码基因整合进该动物的基因组。每次细胞分裂，Cas9就会跟着细胞复制。换句话说，他和他的同事创造出了一种易于编辑的小鼠。上一年，他们发表文章介绍了他们的方法学。普拉特已与世界上超过一千个实验室分享了这项技术。
“Cas9小鼠”成为了新兴CRISPR兵工厂的杀手锏。当每个细胞都含有这个“分子剪刀”后，科学家不再需要将其与向导RNA结合。他们可以同时操控许多探针，在他们想要研究的基因中制造突变。
为了展示这项技术在癌症领域的潜在应用价值，他们的团队用Cas9小鼠建立肺腺癌模型。肺腺癌是肺癌中最常见的类型。之前，为了建立动物模型，科学家必须一次改变一个基因，或让动物杂交以产生携带所需的基因变异的种群。这两种方法难度大且费时。“现在我们可以直接在感兴趣的细胞中激活CRISPR，按照我们的意愿来改变基因组。”普拉特带我们参观Cas9小鼠生态缸时说。我们进入一间小小的检验室，这里可以俯瞰到整个剑桥。我看到一名技术员将Cas9小鼠放置在生物安全柜橱内，然后在莱卡显微镜上一边观察一边用很细的毛细管针将一个细胞注入小鼠的尾部。
普拉特解释道：“现在我们有了模型。这些小鼠刚被注入3种探针，每一种探针都带有一个被认为与癌症有关的基因突变。这些细胞将会携带所有我们希望研究的突变。这确实是革命性的进展。”
“在过去，这需要十年的时间且需要形成一个联盟。”普拉特说。“有了CRISPR，我一个人只需要4个月就能完成。”九月份，张锋在Cell期刊上发表了一篇报道，描述另一种名为Cpf1的CRISPR蛋白，这个蛋白比Cas9更小更容易操作。
他们实验室在研究自闭症也使用了类似的方法。最近实验显示大脑中数以万亿计的神经元中只要有个别出现问题就有可能导致某种精神疾病。研究神经元在大脑里的功能是很难的。通过重新构建其他实验室已发现的自闭症和精神分裂症相关的突变，张锋的团队已经能够研究与这些疾病相关的出错的神经元了。
由于测序的价格直线下降，全美的癌症诊所都可以更深入地研究病人的肿瘤了。肿瘤几乎都是不同的，有的只携带5个突变，有的携带50个突变。这意味着，实际上每个癌症病例都是特异性疾病。在CRISPR出现以前，癌细胞基因突变范围广，以致于很难找到有效的治疗手段。
“我最喜欢CRISPR技术的一点是，你能够在任何一种癌细胞系中敲除每个基因，找出细胞的阿喀琉斯之踵”， 58岁的布罗德研究所的主任埃里克·兰德说道。作为人类基因组计划的领军人物，兰德说他从来没有遇到过比这更有前景的研究工具。“你可以使用CRISPR系统性地研究癌症复发的机制，”他说道，“这也许能建立起一个完整的癌症路线图。”
兰德接着说，癌症的每一个弱点都可用一种药物进行攻击。但癌细胞逃避药物的方式很多，为了有效治疗癌症，则需要将这些弱点一网打尽。这种策略在治疗如艾滋病等传染病中已被证实是有效的。“记住关于HIV的悲观论调，”早些年，患艾滋病就相当于被判了死刑。最后，病毒学家研发出一系列药物来干扰病毒复制。这种疗法十分有效，但是只有将这些药物结合使用时，才能彻底阻止病毒。
同样的方法在治疗肺结核上也是行之有效的。兰德深信这也能用到癌症治疗上来：“在治疗艾滋病时使用三药联合方案。我们正处在一个历史节点上。在此之前我们输得一塌糊涂，而这一天我们突然赢了。”
他站起来走到办公桌前，指着墙描绘他对未来癌症治疗的憧憬。“以后将会有一张大图。不过，这张图会是电子版的，包含针对癌症细胞的所有治疗路线图，包括它们如何形成，所有能打败癌细胞的方法，以及它们用来躲避或战胜治疗方案的方法。当有了这个图，我们就赢了。因为每个癌细胞都是新的，它们并不知道我们准备做什么。而传染病不同，它们边传播边共享信息。传染病在人群间传播时能够从人的身上获得信息。然而每个人的癌症都是从新的，而这也是我们能够打败它的原因。”
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