在CRISPR动物园里，人类正在快速改写生命

原创 2016-05-28 Reardon、王承志 知识分子

►本文配图均由Ryan Snook绘制。来源nature.com

编者按：

CRISPR基因编辑技术横扫全球分子生物学实验室，改写物种的基因已变得简单易行。我们不仅受惠于科学家利用CRISPR技术制造出更好的食物、控制病原媒介的传播，还可能利用CRISPR技术逆转物种的灭绝，以及为我们提供更好的宠物。在CRISPR技术改造的“动物园”里，已经有了鱼、鸡、小鼠，还有大象、猴子，它的下一个目标会是什么呢？

撰文 | Sara Reardon

翻译 | 王承志

责编 | 叶水送

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蒂莫西·多伦（Timothy Doran）11岁的女儿对鸡蛋过敏。很多常规疫苗她都不能接受，因为它们大多是用鸡蛋生产的，全世界约有2%的儿童有类似的情况。

多伦是一名来自澳大利亚吉朗市联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的分子生物学家。他认为通过强大的基因编辑工具CRISPR–Cas9可解决这个问题。大部分鸡蛋过敏问题仅仅由鸡蛋中四种蛋白的某一种引起。当多伦的同事在细菌中修改了其中一个编码基因后，生产出来的蛋白就不会在对鸡蛋过敏的人血清中检测出来。多伦觉得可以用CRISPR技术来编辑鸡的基因，从而可生产不会导致过敏的鸡蛋。

研究组计划今年晚些时候孵化他们的第一代基因修饰的小鸡，以此来证实这个猜想。不过多伦意识到，距离管理部门批准基因编辑的鸡蛋上市，仍需一段时间。他希望他的女儿到那时能够摆脱对鸡蛋的过敏。

鸡只是基因将被重新改造的动物之一。直到现在，研究人员使用遗传学工具只改造了一小部分动物，而且这个过程十分低效、费力。使用新工具CRISPR技术，他们能够在更广的范围编辑基因，并且相对精确和简单。仅仅在过去两年，基因编辑猴、猛犸、蚊子以及更多动物的前景，使得科学家想要将CRISPR技术应用于农业、药品生产和将灭绝的物种带回现实的消息，经常登上头条新闻。CRISPR技术编辑的动物甚至已被当做宠物进行出售。“这项技术使我们能够思考很多以前不能做的项目”，布鲁斯·怀特洛（Bruce Whitelaw）说到，他是英国爱丁堡罗斯林研究所的动物生物技术专家，“整个生物科学界全心全意迈向基因编辑”。

监管部门还没想好如何处理这些“生物”，特别是哪些用于食物或放到野外，这主要考虑到它们的安全性以及对生态环境的影响。美国国家情报部门的负责人甚至也重视这个话题，他们声称这种容易获取、成本低廉且发展迅速的基因编辑技术，可能会增加人造有害生物的风险。

华盛顿特区威尔逊中心艾兰诺·保韦尔斯（Eleonore Pauwels）说，在动物中开始使用CRISPR技术给研究者和政策制定者提供了公共讨论的机会。她希望这样的讨论能够帮助确定哪些CRISPR技术的使用可最大限度地帮助人类和其它物种，以及促进科学发展，并强调该技术的限制是什么。

在疾病控制方面，CRSIRPR技术潜力巨大

疾病抵抗是CRISPR技术在农业里最广泛的应用，科学家已对动物进行广泛试验。旧金山生物科技企业家布莱恩·吉里（Brian Gillis）希望这个工具能帮助解决由于疾病和寄生虫而导致的世界范围内的蜜蜂消失。

吉里曾经研究“清洁”蜜蜂的基因组，这类蜜蜂痴迷于清洁蜂巢，并将患病和感染的蜜蜂幼虫清理出去。相比其它蜜蜂，它们的领地较少被螨虫、真菌或其它病原物感染。吉里认为如果他发现了与这种行为相关的基因，他可能将这种基因编辑到其它蜜蜂的基因中，以此来提升蜂巢的健康水平。

但这种特性很难被编辑。荷兰博克斯梅尔的阿里斯塔蜜蜂研究所（这个所研究蜜蜂对螨虫的抗性）所长BartJan Fernhout说，目前研究者还没有发现与清洁直接相关的基因，而且这种行为的根源可能非常复杂，即使该基因被筛选出来，传统的育种方法，足以使新群体获得足够的抗性，这可能更容易被接受，因为现在到处都在反对基因编辑。

但这种担心看上去并没有让其它研究疾病抗性的研究减缓。罗斯林研究所的怀特洛研究组使用CRISPR技术和其它基因编辑系统，来创造对病毒具有抗性的基因编辑猪，它能使畜牧业每年减少数亿美元的损失。

怀特洛的小组使用基因编辑技术来修改家猪的免疫基因，使其更接近于疣猪，这种猪天生对非洲猪瘟免疫。非洲猪瘟是一种主要的农业病害。美国哥伦比亚密苏里大学兰德尔·普拉瑟（Randall Prather）已创造出了一种转基因猪，这种猪的细胞表面上的一个蛋白有一个突变，使其能抵抗一种致死性的呼吸道病毒。其他研究者也在制造基因改造的牛，使其能够抵抗引起昏睡病的锥虫。

怀特洛希望管理人员以及持怀疑态度的消费者，能够对使用基因编辑增强动物对疾病的抵抗力等特征更加热心，毕竟这些特征比其它如让动物生长更快的特性更能减少它们的痛苦。一些政府也正在考虑是否将CRISPR技术改造的动物，按照转基因生物的方式来进行管理，因为这些被改造的动物并不含有其它物种的DNA。

基因编辑的动物，可直接制造“药物”

多伦想在鸡蛋中修改过敏原的要求需要精确的控制，关键是精巧地调节遗传序列使其编码的蛋白不会引起人的免疫反应，但仍然能够使胚胎正常发育。CRISPR技术从一开始就使得这种精确的编辑成为可能，“CRISPR技术是解决过敏原问题的救世主”，马克·提扎特（Mark Tizard）评论说，他也是CSIRO的一名分子生物学家，现在和多伦一起做鸡的基因编辑工作。

在鸟类中使用这项技术仍有一些问题。哺乳动物能够使用药物促排卵，然后可以分离到卵细胞，进行基因编辑再让其受精、着床。但鸟类的受精卵结合位置非常靠近蛋黄的地方，如果分离它会破坏整个胚胎，母鸡体内的卵是很难进入，CRISPR技术的组分不能直接被注入卵内。但当蛋被生下来以后，受精卵已发育到远超过可以使用基因编辑来影响小鸡的后代了。

为了解决这个问题，提扎特和多伦将眼光放到了原始生殖细胞（PGCs）——还没有成熟的生殖细胞，这些细胞最终会发育为精子或卵细胞。和很多其它动物不同，鸡的原始生殖细胞在发育时会停留在血管中一段时间。于是研究人员可以分离并在实验室中编辑它们，然后再将它们放回母体内。CSIRO研究组甚至开发了一种方法在血管中直接插入CRISPR的组分来编辑原始生殖细胞。

研究人员还计划制造出将CRISPR组分直接整合到基因组中的鸡，他们叫这种鸡为CRISPi鸡。这将使研究人员更加容易编辑鸡的DNA，可能也是“农业制药”的福音——使用家养的动物来制造药物。

管理人员表示愿意考虑这些药物。2006年，欧盟批准了一种在其乳汁中产生抗凝蛋白的山羊，其后这种山羊在2009年被美国FDA批准。2015年，欧盟和美国都批准了鸡蛋中含有胆固醇类药物的转基因鸡。

基因编辑技术，能逆转物种灭绝

大约4000年，人类的狩猎加快了猛犸象（Mammuthus primigenius）的灭绝。哈佛医学院的乔治·丘奇（George Church）教授因想使用CRISPR技术，将濒危的印度象改造为猛犸象（或者至少是能够抗寒的大象）的野心而受到关注，他是CRISPR技术的先驱之一。他的目标是将这种大象放到西伯利亚的一个保护区，使它们有活动的空间。

这项计划听上去很疯狂，让哺乳动物变得像猛犸象的研究已有一段时间。去年，芝加哥大学遗传学家文森特·林奇（Vincent Lynch）发现一个与热感知和毛发生长相关的基因，猛犸象体内含有该基因可使其能够生长在较低的温度下。如果小鼠含有相似的基因，会更喜欢呆在温控笼中较冷的地方。丘奇说，他在大象的胚胎中编辑了大约14种这样的基因。

但是编辑、分娩以及养活类似于猛犸象的大象仍是个巨大的挑战。丘奇说该实验中一部分，将基因编辑的胚胎植入濒危的大象可能违反伦理，所以他的实验室正在想办法制造一个人工子宫。目前，还没有这样的装置能够奏效。

有一些“逆转灭绝”的项目可能没有那么困难。比如，圣塔克鲁兹加州大学的本·诺瓦克（Ben Novak）想要复活北美旅鸽（Ectopistes migratorius），一种曾无处不在的鸟，19世纪后期因人类过度捕杀而灭绝的鸟。他的团队现在正在比较博物馆里的标本DNA与现代家鸽的区别。他计划利用与多伦类似的PGC方法来编辑现代家鸽的基因组，使其更像它们已灭绝的亲戚。

诺瓦克说这项技术现在还没有强大到可以修改现代和古代鸽子中上百个不同的基因，但是他认为CRISPR技术已经给了他迄今为止最好的机会来实现他毕生的梦想：将灭绝的物种带回现实。“我想如果没有CRISPR技术，这个项目完全不可能存在”，他说道。

改造害虫基因，可控制病原媒介

数十年来，研究人员都在探索能够从遗传学水平改造蚊子来防止疾病的传播，比如登革热和疟疾。CRISPR技术给了他们一个新方法来尝试。

去年11月，加州大学欧文分校的分子生物学家安东尼·詹姆斯（Anthony James）公布了一个种系的蚊子，它们含有一种称为“基因驱动”的合成系统，这个系统能够将对疟疾产生抵抗的基因传递到蚊子的子代中。“基因驱动”技术确保了几乎所有的蚊子后代都会遗传两个拷贝的编辑过的基因，从而使这种基因能够迅速在种群中传播。

2015年12月，发表的另一种类型的基因驱动能够扩增一种基因，使得所有雌蚊变得不育，这可能会消灭一个种群。在中美洲和南美洲爆发的寨卡病毒增加了人们使用这种技术的兴趣，一些实验室已经开始研发消灭携带寨卡病毒的物种——埃及伊蚊的“基因驱动”技术。

很多科学家担心将这种蚊子释放出去会引起意外和未知的后果。出于这些原因，丘奇和他的同事开发了“逆向基因驱动”技术，这种系统能够在种群中扩散来逆转原有的突变。

但是宾州州立大学基因编辑昆虫方面的专家詹森·拉斯根（Jason Rasgon）认为，虽然生态问题总会被考虑进去，但一些人类疾病例如疟疾，其广泛性和致死性将使人类损失更多。蚊子是较早被研究的昆虫，现在研究人员也在试图将基因驱动技术用在别的地方，比如制造不能够传播引起莱姆病致病菌的蜱虫等。研究人员在一种蜗牛（Biomphalaria glabrata）中发现了一系列基因，修改它们可以防止传播血吸虫病。

制造更好的食物

去年11月，在经过很长时间的调查之后，美国FDA首次批准了用于人类食物的转基因动物：美国麻省AquaBounty技术公司研发的快速生长的三文鱼。一些人依旧担心如果这些三文鱼逃走，可能会和野生三文鱼杂交，从而影响生态平衡。

为了解决这种担心，阿拉巴马州奥本大学的鱼类遗传学家雷克斯·邓纳姆（Rex Dunham）使用CRISPR技术来抑制三种编码生殖激素的基因。他使用美国养殖量最大的鲢鱼来进行研究，这些突变能够使鱼变得不育。即使这些鱼逃到野生环境，不管是否被基因改造过，都不太可能进入野生种群。邓纳姆说，“如果我们能达到使其100%的不育，它们就不可能造成遗传影响”。如果要使这些鱼继续生育，只需要人为给它们激素。邓纳姆认为类似的方法可以被用于其它鱼类物种。

CRISPR技术还能减少农民对动物的宰杀，而以往这通常意味着代价昂贵且会引起违反人道的争论。加州大学戴维斯分校的生物技术专家Alison van Eenennaam正在使用该技术来使肉牛只出生雄性或类似雄性的小牛。因为雌性小牛的肉更少，经常出生即被宰杀。Eenennaam将Y染色体上的一个对于雄性发育重要的基因拷贝到精子的X染色体上，这种精子产生的后代可能是正常的XY型雄性小牛，或者是具有更多肌肉、具有雄性特征的XX型雌性小牛。

在鸡蛋工业中，公鸡通常没什么用处，农民会在孵化后一天之内将它们宰杀。提扎特和他的同事们正在将一种绿色荧光蛋白添加进鸡的性染色体中，这样雄性胚胎在紫外灯下会发出荧光。农民可以在鸡蛋孵化前，就将雄性的鸡蛋拿走，而这些鸡蛋可以用于生产疫苗。

CRISPR技术还能使农业更加人性化。例如，把牛赶进拖车或者其它狭小的空间可能会引起受伤，特别是那些长了长角的牛。农民经常将牛角烧掉、锯掉或者用化学药品将其腐蚀掉，这个过程会造成动物的痛苦，也会对操作人员造成危险。有一些变种的牛没有角，这种情况称为“退化”，但将这些品种与“良种”肉牛或奶牛杂交会导致后代质量下降。分子遗传学家斯科特·法伦克鲁格（Scott Fahrenkrug）是明尼苏达州圣保罗市Recombinetics公司的创始人，他正在使用基因编辑技术将缺失牛角的基因转进良种小牛中。这家公司目前只公开了两只这样的小牛，两只都是公牛。这两只小牛在加州大学戴维斯分校出生，并被抚养到可以繁衍后代。

基因编辑技术可改良宠物品种

去年九月，华大基因在中国深圳的一次会议上展示了一个轰动性的产品：只有15千克重的迷你猪，这种猪的大小只有标准猎肠犬那么大。华大基因最初想要用这种猪来做科学研究，但那时起他们决定将它们当做宠物出售，售价为1600美元。这个计划最终可以让买家定制宠物的毛皮颜色。

华大基因还使用CRISPR技术来修改锦鲤的大小、颜色和花纹。锦鲤养殖在中国有悠久的传统。华大基因的基因编辑平台主任汪健介绍说，即使是优秀的养殖人员，也只能从数百万的鱼卵中得到少数最漂亮的颜色和比例的“冠军品质”锦鲤。而CRISPR技术能够让他们精确地控制鱼的颜色，还能让鱼更适合养在家里的鱼缸里，而不是通常的养殖鱼塘中。汪健说，华大基因将会在2017年或2018年开始销售这种锦鲤，最终还会将一些其它种类的宠物鱼加入进来。

澳大利亚悉尼大学的遗传学家克莱尔·韦德（Claire Wade）说CRISPR技术可能可用来改造狗。她的团队正在分析不同品种狗的遗传区别，来发现哪些区域与它们的行为、特性相关，例如敏捷性，这些基因被编辑的潜力。首尔的Sooam生物科技公司，也对使用CRISPR技术很感兴趣。这家公司因提供10万美元克隆去世宠物的服务而闻名Sooam公司研究员戴维·金（David Kim）说他们希望增强工作犬的能力，比如导盲犬或牧羊犬。

哈佛大学丘奇实验室生物伦理学家Jeantine Lunshof说，为了改变它们的外貌而编辑动物的基因，只是为了满足我们特殊的要求，这近于轻薄并且可能伤害动物的福祉。

但是她也承认这种做法与人类数百年来用来改良家养动物和宠物特性的育种方法，并无太大区别，并且CRISPR技术可以用来帮助消除一些不好的特性，比如很多犬种容易出现髋关节问题。“如果你能够编辑基因来逆转这些由于近几十年来近亲繁殖造成的不良特性，那会是一件好事。”

建立更好的疾病模型

长期以来，雪貂一直是流感研究的有效模型，因为病毒可以在它们的呼吸道复制和感染，当它们被感染的时候，也会打喷嚏，这使得其可以做病毒传播的研究模型。在CRISPR技术之前，病毒学家缺少能够容易地改变雪貂基因的工具。中国科学院王晓群和他的同事已经使用CRISPR技术来修改参与雪貂大脑发育的基因。最近，他们还使用这个工具来改变雪貂对流感病毒的易感性。他说他将制造感染性疾病研究者需要的动物模型。

行为学家对修改狨猴和普通猴的基因感到特别兴奋，这些动物比标准的啮齿类动物模型更加接近人类。这类工作在中国和日本进展最快。比如今年1月，中科院神经科学研究所的仇子龙和他的同事发表了一篇论文，描述了使用CRISPR技术在猕猴中实现了MeCP2基因突变，这个基因与神经发育疾病——Rett综合征相关，被修改过的猕猴出现了自闭症症状，包括重复性行为和抵触社会性接触。

但埃默里大学的遗传学家安东尼·陈（Anthony Chan）警告说，研究人员必须谨慎思考使用动物模型中产生的伦理学问题，实验室标准的动物模型，如小鼠是否就已足够满足研究需求。他说，“不是每种疾病都需要灵长类动物模型”。

基础的神经科学也会从新的动物模型中受益。麻省理工学院的神经生物学家埃德·博伊登（Ed Boyden）正在饲养世界上最小的哺乳动物伊特鲁里亚树鼩（Suncus etruscus）。这种树鼩的大脑非常小，甚至可以在显微镜下一次观察全脑。基因编辑使得神经元发放动作电位时可以闪光，从而让研究人员来实时研究动物的整个大脑。

CRISPR动物园正在快速扩张——现在的问题是：如何引导其继续发展。保韦尔斯说，这个领域会面临与之前转基因植物和动物同样的公众抵制问题。如果要避免这种情况，科学家需要与大众沟通他们工作带来的益处。她说，“如果它已到来并带来一些益处，让我们思考一些我们能够消化和拥有的东西。”

本文于2016年3月10日刊发于《自然》（Nature）杂志，原标题为“Welcome to the CRISPR Zoo”，英文原文链接：http://www.nature.com/news/welcome-to-the-crispr-zoo-1.19537，《知识分子》获《自然》授权翻译并刊发。