百科：那些基因編輯后的動物

被稱為“成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列”（CRISPR）的基因分子或基因剪刀已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)和生命領(lǐng)域產(chǎn)生了重大作用和巨大影響。除了對人的基因和人類胚胎的編輯引發(fā)巨大爭議外，目前這一技術(shù)在編輯動物基因方面獲得相當(dāng)多的成果，為治療人類疾病和生產(chǎn)人類所需要的產(chǎn)品提供了廣闊平臺。
　　
　　現(xiàn)在研究人員已經(jīng)能用CRISPR基因剪刀來編輯豬、魚、猴子、羊、兔子、老鼠、蝴蝶等動物的基因。下面可以梳理一下CRISPR基因剪刀編輯動物基因產(chǎn)生了哪些對人類有益的典型動物。
　　治療杜興氏肌萎縮小鼠
　　杜興氏肌肉營養(yǎng)不良癥（又稱杜興氏肌萎縮，DMD）是遺傳性肌肉萎縮疾病。該病的致病基因存在于X性染色體中（Xp21），是通過性連鎖隱性遺傳而致病。該病由表達(dá)肌萎縮蛋白的基因受損引發(fā)。肌萎縮蛋白能夠增強與保護肌纖維，當(dāng)肌萎縮蛋白缺失時，骨骼肌與心肌將會發(fā)生退化。
　　男性只有一個X性染色體，因此該病患者大多為男性，患者經(jīng)常需要坐輪椅，利用呼吸機輔助呼吸，壽命一般在25歲左右。若女性的一對X性染色體中的一個攜帶有變異的杜興氏肌萎縮基因，便成為一個杜興氏肌萎縮的攜帶者，其兒子有二分之一的機會成為患者，其女兒則有二分之一機會成為杜興氏肌萎縮基因攜帶者。
　　目前，對于這種疾病還沒有有效的治療方法，CRISPR基因剪刀的出現(xiàn)為根治這種疾病帶來了希望。CRISPR基因剪刀需要與Cas9配合操作，后者是一種由核糖核酸（RNA）指導(dǎo)的細(xì)菌核酸內(nèi)切酶家族，被CRISPR系統(tǒng)用來在特異性的基因序列位點上識別和切割雙鏈DNA，因此通常稱為CRISPR- Cas9基因剪刀。
　　CRISPR-Cas9基因剪刀當(dāng)然不能先在人身上使用來治療疾病，而是要進(jìn)行動物試驗。現(xiàn)在，研究人員利用CRISPR-Cas9基因剪刀對患杜興氏肌萎縮的小鼠進(jìn)行試驗，獲得了較好的效果。
　　對小鼠治療杜興氏肌萎縮的原理是，CRISPR-Cas9基因剪刀可通過一節(jié)RNA將Cas9酶移動到基因組中導(dǎo)致該病的致病基因位置，然后該酶能夠?qū)⑻囟ǖ闹虏NA片段切除，隨后細(xì)胞通過損傷修復(fù)機制將斷裂的DNA鏈連接，或者利用DNA模板創(chuàng)造新的序列。
　　現(xiàn)在，美國西南醫(yī)學(xué)中心的研究人員利用腺病毒將CRISPR-Cas9基因剪刀導(dǎo)入杜興氏肌萎縮小鼠胚胎中，以切除有缺陷的編碼肌萎縮蛋白的基因片段，結(jié)果使得出生后的小鼠能夠產(chǎn)生新的肌萎縮蛋白，改善了小鼠杜興氏肌萎縮的癥狀。
　　另外，美國杜克大學(xué)的另一個研究小組也利用CRISPR-Cas9基因剪刀，直接對成年小鼠的腿部肌肉進(jìn)行治療，結(jié)果讓小鼠的肌肉產(chǎn)生了正常的肌萎縮蛋白，力量得到增強，而且還改善了小鼠心臟等其他部位的肌肉力量。
　　這些研究結(jié)果也意味著，CRISPR-Cas9基因剪刀可以用來治療人的杜興氏肌萎縮，但是，還需要先進(jìn)行人體試驗，并且需要得到倫理批準(zhǔn)。
　　基因編輯豬產(chǎn)生人類蛋白
　　人血白蛋白（HSA）是人血漿中的蛋白質(zhì)，其作用既廣泛又重要，因為它們在體液內(nèi)可以運輸脂肪酸、膽色素、氨基酸等，同時能維持血液正常的滲透壓。人血白蛋白還可用于治療休克與燒傷，用于補充因手術(shù)、意外事故或大出血所致的血液丟失，也可以作為血漿增容劑。
　　但是，如果人血白蛋白只從人體獲取，如從獻(xiàn)血者的血液中提取，不僅數(shù)量有限，而且價格昂貴。因此，研究人員一直希望利用基因工程改造動物，如豬或羊來生產(chǎn)人血白蛋白?，F(xiàn)在的CRISPR-Cas9基因剪刀為實現(xiàn)這一想法提供了理想的工具，因為通過基因編輯動物，如編輯豬，可以讓豬生產(chǎn)人血白蛋白。
　　但是，基因編輯豬也會有兩種結(jié)果，既產(chǎn)生豬血白蛋白，也可產(chǎn)生人血白蛋白，要解決這個問題，就只能是在編輯豬的基因時，把敲入的人類基因放在位于豬血白蛋白產(chǎn)生基因的下游。北京蛋白質(zhì)組研究中心的研究人員通過使用CRISPR-Cas9基因剪刀，將人血白蛋白的基因敲入到豬血白蛋白基因位點下游起始密碼子，希望人血白蛋白基因能在豬內(nèi)源性白蛋白基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控下表達(dá)，同時阻止豬內(nèi)源性白蛋白基因的表達(dá)。
　　研究人員在10只巴馬母豬體內(nèi)植入了300個改造過的受精卵，之后有5只豬成功懷孕，產(chǎn)下了16只巴馬豬仔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這16只豬仔都帶有預(yù)期敲入的生產(chǎn)人血白蛋白的基因，在它們的血液中也能檢測到人血白蛋白。不過，各只幼豬體內(nèi)的人血白蛋白含量有所不同。因此，這只是一個初步的成功。
　　更重要的是，要在未來的繁殖試驗中查驗敲入的人血白蛋白基因是否能在這些豬的后代中遺傳下去。如果能穩(wěn)定遺傳下去，或許未來能讓這些基因編輯的豬生產(chǎn)人們所需要的人血白蛋白。
　　基因編輯豬提供供體器官
　　人體器官供不應(yīng)求制約了器官移植治療疾病和挽救人的生命，因此，一直以來，研究人員在想方設(shè)法采用動物的器官供給病人移植，豬的器官就被視為是一個很好的人類器官的代用品。
　　但是，采用豬的器官要解決兩大問題：一是豬的器官可能引發(fā)器官受者的免疫排異反應(yīng)，二是豬身上的一些隱藏的病毒和微生物可能對人有害。
　　豬的器官對于人是異種器官，異種器官移植面臨的免疫學(xué)排異反應(yīng)表現(xiàn)為超急性排斥反應(yīng)（HAR）、急性血管排斥反應(yīng)（AVR）、細(xì)胞介導(dǎo)的排斥反應(yīng)和慢性排斥反應(yīng)。1993年，美國匹茲堡大學(xué)的外科醫(yī)生庫珀等人發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)人類免疫反應(yīng)的肇事者就是源自豬血管內(nèi)皮細(xì)胞上的抗原，稱為α-1，3-半乳糖，這是一種糖分子，能在幾分鐘內(nèi)引發(fā)器官排異。但是，一種名為α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的物質(zhì)對于產(chǎn)生這種糖是必需的，將產(chǎn)生這種酶的基因敲除，就有可能緩和免疫排異反應(yīng)，從而讓豬器官供人類移植。
　　另一個問題是，豬體內(nèi)有多達(dá)幾十種潛藏的或休眠的逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）。盡管對豬的這些逆轉(zhuǎn)錄病毒是否對人類有害存在爭議，但較為普遍的看法是，如果使用豬的器官，就應(yīng)當(dāng)消除這些隱患，以免移植豬器官后引發(fā)其他疾病。因此，如果要使用豬的器官，就必須敲除豬體內(nèi)這些逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因，以確保萬無一失。于是，去除或修改豬的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶和其他幾十種逆轉(zhuǎn)錄病毒基因就歷史地落到CRISPR-Cas9基因剪刀的肩上。美國哈佛大學(xué)的丘奇教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊在2015年10月宣布，他們的兩個研究小組已經(jīng)能完成去除或修改豬的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶基因和其他幾十種逆轉(zhuǎn)錄病毒基因的任務(wù)。
　　一個研究小組利用CRISPR-Cas9基因剪刀對一組豬胚胎進(jìn)行了20多個基因的改造，其中就包括編碼豬的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的基因，從而阻止了豬細(xì)胞表面的α-1，3-半乳糖產(chǎn)生，也就消除了豬器官上面的抗原，可以避免豬器官移植到人體時觸發(fā)免疫反應(yīng)。
　　另一個研究小組利用CRISPR-Cas9基因剪 刀編輯豬胚胎中的62個豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，讓這些病毒失活。這項工作非常重要，因為這些病毒嵌入在所有豬的基因組中，無法進(jìn)行處理或是被中和。由于擔(dān)心它們有可能給人類患者帶來疾病，豬器官遲遲不敢用于人類。
　　現(xiàn)在，由于解決了這兩個問題，即消除了引發(fā)免疫反應(yīng)的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶基因和豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，下一步將有可能把豬的器官移植給人。不過，在對人進(jìn)行移植前，還要通過動物試驗來驗證，例如，對狒狒和猴子移植經(jīng)過CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的豬的器官，如肺、心臟和肝臟。
　　美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)生已經(jīng)在做這種動物試驗。他們從一頭經(jīng)過CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的成年豬身上摘下肺，移植給一只6歲的狒狒。未來，這一研究結(jié)果將會公布，以此論證，豬的器官是否可以移植給人。
　　大力士和天狗
　　除了豬與人的生理和代謝相似、器官大小差不多之外，狗與人的生理也比較接近，因此，研究人員一直希望建立狗的動物試驗?zāi)Ｊ剑瑸槿祟惙?wù)?，F(xiàn)在，CRISPR-Cas9基因剪刀的出現(xiàn)讓中國研究人員創(chuàng)造了一種特殊的狗，一只稱為大力士，一只稱為天狗。
　　中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的賴良學(xué)團隊利用CRISPR-Cas9基因剪刀敲除狗的肌肉生長抑制素基因，以增強狗的肌肉能力，因為該基因?qū)趋兰∩L具有抑制作用，被敲除后，肌肉生長發(fā)育能力就會增強。
　　研究人員最初利用CRISPR-Cas9基因剪刀對60多個狗胚胎進(jìn)行編輯，然后把胚胎植入母狗體內(nèi)孕育，誕生了27只小狗，但只有2只（一公一母）小狗的肌肉生長抑制素基因被敲除。肌肉生長抑制素基因被敲除的狗的肌肉在4月齡時就顯得比普通狗更為發(fā)達(dá)，研究組將兩只狗分別命名為大力士（公）和天狗（母）。
　　預(yù)計這種基因敲除狗在成年后將具有更強的運動能力，適合狩獵以及軍事應(yīng)用。由于狗與人的代謝、生理以及解剖特征相似，這類由CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的狗會被用于治療人類的一些遺傳病，如帕金森病、重癥肌無力、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS，漸凍人癥）的試驗。
　　過去，人們常在小鼠身上建立模型來探索和治療這類疾病，包括杜興氏肌萎縮。但是，由于小鼠較小，與人的生理狀況差別較大，用小鼠模型獲得的結(jié)果與人的差別也很大，還需要進(jìn)一步試驗才能用到人身上?，F(xiàn)在，用CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的狗就能對治療肌萎縮側(cè)索硬化癥有直接的模擬作用。
　　CRISPR-Cas9基因剪刀不只是能編輯和產(chǎn)生上述新的動物，也已經(jīng)產(chǎn)生了基因編輯猴等動物。隨著這一技術(shù)的應(yīng)用，會有越來越多的基因編輯動物出現(xiàn)，既能為人類健康和治病服務(wù)，又能提供人類所需的各種生物產(chǎn)品。
　　【責(zé)任編輯】張?zhí)锟?/p>