【烧脑季】编辑生命密码的剪刀-基因编辑技术
现在最伟大的物理学家是斯蒂芬·威廉·霍金，他在统一相对论和量子力学方面迈出了非常重要的一步，他也是剑桥大学的终身教授。霍金现在一直在轮椅上，是因为患了一种罕见的遗传病肌肉萎缩性的侧索的疾病，他是在21岁的时候患了这个病，患病以后到现在为止全身上下只有眼睛和三个手指移动，在这种极其艰苦的情况下，完成了学术的著作。人是否能对他进行一些基因的这种编辑，对他的疾病做一些治疗呢？
另外给大家讲一讲肿瘤，在2015年我们国家大概有430万的新发的病例，其中有281万是死亡的病例，每分钟都有死亡的案例，我们是否能够编程我们的免疫细胞，能够让免疫细胞来去重新识别我们的肿瘤，能够杀住他们呢？
所有今天在这里希望能够给大家一块聊聊基因剪刀来编程生命的主题。我叫谢震，来自清华大学。我自己是一名生物工程师，整个生命细胞并不是我们完全自己创造的，对我们来说它还是一个黑匣子，能观察到它的输入、输出，观测生命体是如何运行的，它的所有信息编码在DNA里面，也就是我们通常所说的基因可以自我复制转录成RNA，RNA又可以翻译成蛋白质，所有的这个信息流必须要保持通常，保持正常的运转，才能使维持我们正常的身体健康，任何的一个小的环节都有可能造成紊乱、疾病。
如何编程生命呢？你必须对我们生命的这些运行的机制有充分的了解，同时我们又有编程生命的工具能够让我们完成编程的任务。所幸的是在最近的20年有两大技术得到了非常快速的发展，其中一项技术就是基因测序的技术，使我们能够对基因进行解读，知道它ACGT的编码的情况，而且这个测序的技术发展的非常快，从最开始测一个人基因组大概需要将近1亿美元，一直下降到现在大概1000美元的程度。
技术是DNA合成技术在最近这些年也突飞猛进的发展。从小的片断合成，一直到合成大的基因组，包括酵母菌的基因组。这两大技术使我们有能力对我们自身的这种生命的运行机制得到更充分的了解，使我们有足够的知识发现很多的问题，比如说本身我们的每一个人体的细胞我们都是由46条染色体组成，有大概3万个基因组成。这些3万个基因都是由ACGT四种不同的碱基的排列组成产生了各种各样不同的基因。对这些基因的了解，是我们能够有一定的能力可以编程生命。
疑难杂症有待破解 基因修复是切口
随着我们对于自身的了解发现，周围有很多的遗传的疾病，在我们国家我们把在新生儿发病率低于万分之一的疾病把它定义为一种罕见病，全球一共有7000种不同的罕见病，罕见病的患病人数在全球超过了3.5亿人，在我国有1680万罕见病的患者，其中我们每一个人有1/17的机会在我们人类一生中某一时刻会发展成为罕见病的病人。
但是只有1%的病人可以得到有效的治疗，而其他的各种各样的疾病都是没有药可以治的，那么目前国际上已知的这种罕见病的恩总数约占人类疾病的10%，而这10%的罕见病又有80%是遗传性的因素所导致的，很多的基因被突变了，被紊乱了，刚才我们说的DNA到RNA到蛋白质的这种信息的传递产生了这种遗传的疾病。
我们是否能够治疗这种罕见病呢？如果我们能够对基因进行精确的编辑和修复，那么我们就有可能对这些所有种类的罕见的遗传病进行治疗。其中我们就希望有一种工具它能够对DNA进行查找，查找到一些基因以后，它对这些基因进行切割，切割完了以后然后对这个基因进行修复。
在生命的天书中如何寻找？
如果我们真的能做到这一点的话，我们就有可能对疾病遗传病进行基因的治疗。刚才所讲的人的这种基因一共有3万多个基因，将近有30万亿的碱基对。在如此长的这就像一本生命的天书，在如此长的一本书里边寻找到某一个基因的话，是非常非常困难的。这种基因的剪刀必须要有一种精确的导航的机制，让这种剪刀只在特定的位置剪切，而不在其他的位置发生任何的剪切，这样我们才能够精确的修复我们所需要修复的这些突变的基因。
如果是我们有一段序列，如果能够超过大概15个碱基或者18个碱基以上的话，这时候所有的30亿碱基里面出现的概率可能就只有一次，这时候我们就可以比较精确的让这个剪刀定位在基因上面？
是不是在自然界里边存在基因这种剪刀呢？答案是肯定的，最近的科学的进展发现了一种名叫CRISPR/Cas的这种系统，它是一个非常神奇的核酸酶，也就是我们刚才所说的核酸的DNA的剪刀，能够在一个小的RNA的指导之下，结合在RNA跟DNA互补、配对的这种序列上面，当然这个互补序列配对上了以后，这个剪刀就可以定位在那个位置，然后就可以对那个位置进行双链的断裂的剪切，这样就可以造成这个基因的断裂，我们就可以对这个基因进行修补或者是替换，系统我们叫它CRISPR/Cas系统，它的来源是哪儿？其实这种细菌和古细菌，它是一种自然净化的结果。
CRISPR/Cas系统
任何一个细菌中都有它的天敌，它的天敌叫做噬菌体，细菌的病毒，这种细菌病毒的数量往往远远大于细菌的数量，每天这种细菌都会在不停地跟这些病毒做敌对的抗争，它必须要抵抗这些病毒的侵入，才能够活下来，在这种长期的相互之间的斗争过程中，净化过程中，发展出来了这样的一种CRISPR/Cas的这种系统。
当一个噬菌体，也就是说细菌的病毒侵染细菌以后，噬菌体它就会往细菌里面注入它本身病毒的DNA，这种DNA就可以帮助病毒在身体里边复制。当复制到一定程度的时候，这个细菌就会死了，有些细菌可能稍微聪明一点，这些细菌他把噬菌体的片断，DNA的片断截留下来，存在了它的身体里面，存在了它的基因组里面，对片断产生了一种记忆的功能，将这些片断插入到一个叫做规律性的、重复性的序列结构里边。这个性机构就会指导有一种叫做CAS的蛋白然后重新识别新的有可能对噬菌体再次侵染的时候它就可以对噬菌体进行识别，识别以后就会对这个噬菌体产生抵抗的作用，就可以把噬菌体的DNA干掉，这样的话，这个细菌就会存活下来。
这种体系它有一种非常快速DNA识别的能力，它扫描DNA的速度非常快，当它扫描到它所识别的位置的时候，它又可以快速的将DNA剪切，它的剪切效率也非常高，这是一个完美的系统。
这个系统一经发现了世界了各个国家的实验室已经争先恐后的用在不同的生物里面，昆虫、鱼类、灵长类类的动物，包括植物，甚至包括我们人的细胞，CRISPR/Cas都可以在这些不同的物种里面产生DNA剪切的功能，有这个系统以后我们是否能够用它来去做基因的治疗呢？
治疗杜氏肌肉萎缩症和癌症
对我们的这些罕见病，回到我们一开始讲述的那个例子，我们有可能针对于杜氏肌肉萎缩症展开基因编辑、基因治疗的这些患者，这是非常有可能的，最近在美国的洛克大学和哈佛大学他们也做了相关的研究，然后在小鼠上面做过这种类型的基因编辑的实验，证明这是可行的，我在这里稍微简单的介绍一下什么叫做杜氏的肌肉萎缩症。
这种症状是因为在X染色体上一个基因叫Dystrophin的基因然后发生了突变，这个蛋白失去了功能，使钙离子更容易渗透到细胞肌肉的细胞当中，使这个肌肉没有力气，使这个肌肉饿死，导致整个的大面积的肌肉萎缩，其实它的发病率还是比较高的，尤其是男童里边，大概有每5000个男童就有可能有一个患儿，当换有这个疾病的男童大概在七八岁的时候就会发病，逐渐失去运动能力。
有几个不同的实验室对他进行基因编辑的治疗，这个方案是这样的。首先我们将CRISPR/Cas的这种体系、系统，然后把它导入到一种病毒里边，这种病毒它其实是一种载体，帮助携带这些CRISPR/Cas系统的基因进入到人体或者是进入到小鼠里边。当我们用这种病毒然后注射老鼠患有杜氏的这种肌肉萎缩症的老鼠，肌肉上，这时候这些病毒就会侵入到这些肌肉的细胞里面。
当这些病毒进入到肌肉的细胞里面，它就会产生CRISPR/Cas的这些蛋白和系统，那么将Dystrophin的这种基因然后它的第23个外显子部分剪切下来，重新将其他的好的部分连接起来，这样的话我们就可以把一个原来坏的基因重新修复，变成一个有功能的基因。这种基因就会产生新的功能的蛋白，重新恢复它的运动能力，这个实验非常成功，希望将来我们也会看到这种技术也能够用在真正的患儿身上。
CRISPR/Cas的技术也可以用来做肿瘤的治疗，这种肿瘤其实是一种基因突变的细胞，它往往能逃逸我们身体的免疫系统，当我们的免疫系统不能再识别它的时候，它就会疯狂的增长，变成一种恶性的肿瘤，我们的免疫系统有一种叫做T细胞的细胞，它本身的职责是可以用来杀死这些变坏的细胞的，这些T细胞的表面有两种不同的受体，感受器，其中一类的受体给它施加一个动力，然后它就使T细胞产生更强的能力来杀死肿瘤。另外一些感受器这些叫做每一个免疫的因子，我们刺激它的话，它就像一个刹车一样，使这些T细胞失去了杀死肿瘤的能力，当肿瘤细胞表面如果有足够的这些刹车的装置的话，就可以使这些T细胞误认为这些细胞不是肿瘤细胞。所以说它就会逃逸这些T细胞的杀伤免疫作用，就有可能利用CRISPR/Cas技术把免疫细胞这种T细胞上面的刹车这些装置给它去掉，这些肿瘤细胞就会被重新识别，被T细胞杀死。
另外一种应用潜在的可能性是CRISPR/Cas系统它可以来去编辑T细胞，使这个T细胞可以用在异体的人群里面，我们每一个人的免疫细胞都是不能够用在别人的身上的，因为它本身有一些免疫相干的蛋白。如果说我们自身的细胞用在另外一个人身上的话，就会产生强烈的免疫反应，这样的话，就会产生一些额外的副作用。而我们如果是用这种CRISPR/Cas系统，我们就有可能产生这种免疫排斥的反应的这些基因去掉，这样使这些T细胞工程化就变得非常简单，我们只要一种来源的T细胞就可以用在各个不同的病人身上，这就会大大幅度的简化这种治疗的成本。
刚才已经说到了这些技术都有这些应用，但是要想使新的技术能够真正用在临床上还面临着非常大的挑战，其中一个挑战是如何提高CRISPR/Cas技术的精确度，使它编辑它所识别的基因而不去编辑其他的这些位点，降低它的脱靶效应。另外一个是CRISPR/Cas如何来去提高递送这种基因到临床上到人体上的能力，使它在特定的细胞和特定的组织中产生作用，在CRISPR/Cas技术应用到临床上另外一个重大的技术挑战。现在世界上有几千个实验室都在共同努力，希望能够将这个技术早日造福我们光大的患者，产生新的治疗方案。
场外提问
1.CRISPR/Cas它进入人体内去剪辑基因的时候，不怕剪辑错了吗？
谢震：“确实，这个是我在最后的时候也提出来了我们需要克服的一个技术障碍，就是如何让CRISPR/Cas系统更精确的来去剪切那些我们需要的这些位点，这些有很多的技术途径，比如说我们可以让CRISPR/Cas它的识别位置然后变大，变得更长一些，需要两个这种蛋白，识别相临的两个位置的时候，才能够剪切DNA，这样的话我们就可以使它的识别的精度大幅度提高。另外也有可能我们改造我们这些CRISPR/Cas的蛋白和整个的体系，让它能够更精确的识别，这方面的工作大家都在做，不久的将来能够实现非常精准的这种剪切。”
2.在老鼠身上已经成功了，具体到人身上治疗来进行真正的实验还有多久？
谢震：“第一个案例是杜氏的肌肉萎缩症，这个在老鼠上已经成功了，相关的临床实验也在紧锣密鼓的开展，希望大概再过个5年说不定能够面向大众然后做治疗。对于肿瘤这方面的研究，其实我们国家在这方面走在了前列，第一例对于肿瘤基因编辑的技术应用，现在在临床实验是在四川大学的华西医院进行，结果可能也会很快的会披露，期待能够有非常好的疗效。”
3.价格未来会是多少？
谢震：“基因治疗治疗这种罕见病的话可能会比较贵，因为它是一次性的，如果是普通的疾病的药物的话，往往是不停的吃药，基因治疗相当于打一针管一辈子，只要能够修复这个基因，这个基因本身就到好的这些蛋白的有功能蛋白的能力，这样的话病人理论上来讲就可以恢复它原来的功能，也就是恢复健康，这种治疗方案是非常昂贵的，因为它涉及到对于基因的这种修改，然后重新给病人用，所以它跟一般的药物还不太一样。”
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