「生命之書」之 編寫篇
人類認識自然的一個主要目的是要改造自然，為人類服務。同樣，人類也不會停留在對生命的「閱讀」階段，而是努力地發展各種新技術去改造生命。為了改寫「生命之書」，研究者發展出了兩種基本工具：識別「字母」——測定DNA上4種鹼基的排列順序；編輯「文字」——剪切和連接DNA上的鹼基序列。
要想識別「生命之書」里的鹼基「文字」並對相關內容進行改寫，首先需要的就是DNA測序技術。早在1977年就誕生了第一代DNA測序技術。不過，當今生命科學研究的主流是高通量的第二代測序技術。它不僅大大降低了測序成本，還顯著提高了測序速度，用一代測序技術完成一個人類基因組30億個鹼基的測序需要三年左右的時間，而使用二代測序技術則可能在一周內完成。不久前，研究者又開發出能夠檢測單個多核苷酸分子的第三代測序技術。
人們往往用「剪刀加漿糊」形容文字編輯工作。要對「生命之書」里的鹼基序列進行編輯，同樣需要「剪刀加漿糊」。研究者開發出來的「基因剪刀」是各式各樣的核酸酶，其中最常用的是「限制性內切酶」。這類酶能夠識別DNA上特定的鹼基序列，從而找到準確的剪切位點，並實現DNA鏈內的定點切割。
2012年，美國科學家通過改造細菌的核酸酶系統發展出一種全新的「CRISPR-Cas9」技術，它被譽為「基因魔剪」，是目前進行基因編輯最強有力的工具，沒有之一。鹼基序列被剪切之後，需要用「漿糊」重新連接，為此，研究者有針對性地發展出了若干DNA連接酶，以便把DNA鏈間缺口連接起來。
基因工程誕生
生命「移花接木」帶來人類福祉
上世紀70年代，隨著DNA限制性內切酶的發現，研究者開始了「生命之書」的編寫工作，並把這類在分子水平上對DNA鹼基序列進行操作的技術稱為「基因工程」——通常是將外源基因轉入到受體細胞，從而使其特性發生改變或產生新的性狀。在這個過程中，首先是利用限制性內切酶把一種生物體（供體）DNA上的特定基因切下來，將其與運載工具（如質粒或病毒）上的DNA在體外人工連接，形成新的重組DNA，然後轉送到另一種生物體（受體）中進行擴增和表達。
基因工程誕生以來，為人類的福祉做出了巨大貢獻。生產治療糖尿病的胰島素就是一個典型範例。
2022年是胰島素用於臨床治療的第100周年。第一代醫用胰島素主要是源於牛或豬的胰腺提取物。這種生產方式不僅昂貴，而且產量很低，遠不能滿足臨床需求。1981年，美國研究者利用基因工程技術，將人的胰島素基因導入大腸桿菌，通過大腸桿菌大量生產重組人胰島素。從此第一代胰島素產品完全被這個第二代產品所取代。為了進一步提高胰島素的療效和安全性，研究者又對胰島素基因進行精細改造，獲得了第三代產品——重組胰島素類似物。
基因工程在農作物領域同樣發揮了巨大作用。1983年，科學家培育出了第一個轉基因作物——轉基因菸草；到2002年，世界上大約有550萬到600萬菸農種植轉基因菸草。1996年，美國的農場主開始種植轉基因大豆——在這種大豆里轉入了植物「矮牽牛」的一種抗性基因，從而可以抵抗除草劑。2021年，美國轉基因大豆種植面積占美國大豆總種植面積的95%，總產量為1.2億噸。
基因編輯疊代
為治癒遺傳病點亮希望之光
基於DNA限制性內切酶的基因工程技術極大改善了人類的生產生活，但該技術在基因編輯的應用中也表現出來一些明顯的不足，比如實驗流程比較複雜，結果獲取需時較長，編寫能力不夠精準等。
為此，研究者一直在努力開發更好的基因編輯技術。2012年，美國科學家道德娜和沙爾龐捷在細菌的基因編輯系統基礎上發展出了一種理想的基因編輯技術「CRISPR-Cas9」。這種技術的基本原理是：利用一段設計好的RNA序列「sgRNA」引導DNA內切酶「Cas9」至特定的DNA序列上進行剪切。該技術經過不斷疊代，目前不僅可以在細胞的基因組內插入長達3.6萬個鹼基的外源DNA片段，而且可以對細胞內的DNA乃至RNA進行單個鹼基的修改。
這類新型基因編輯技術的出現，顯著提升了人類抗擊疾病的能力，尤其為治療基因鹼基序列異常的遺傳性疾病提供了有力武器。據統計，目前已知的單基因遺傳病超過9000種，對人類的健康造成了巨大危害。
例如，血紅蛋白基因異常會導致「地中海貧血」。目前，全球有近3.5億地中海貧血基因的攜帶者，我國長江以南各省是該病的高發區，在部分高發地區，這種基因的攜帶者在人群中超過10%。過去，由於沒有好的治療藥物或方法，重度地中海貧血患者只能定期進行輸血；現在則有望利用CRISPR技術來治療地中海貧血。目前，全球進入臨床研究階段的地中海貧血基因編輯治療產品有6個，其中5個是採用CRISPR技術。
值得注意的是，CRISPR技術在改良農作物品種方面同樣有著巨大優勢。它不僅可以利用外源基因來改造作物，還能夠把作物自身的基因按照設計好的目標直接進行「改寫」。2013年，中國科學家高彩霞在世界上首次報導了利用CRISPR技術編輯水稻和小麥DNA序列的研究工作，並在2014年報導了使用CRISPR技術修改小麥的基因序列，從而使編輯後的小麥能夠抵抗小麥白粉病的侵襲。
可以說，在CRISPR等一系列基因編輯技術的推動下，傳統的那種不可控的作物自然育種未來將轉變為高度可控的作物設計育種。
（吳家睿，中國科學院生物化學與細胞生物學研究所研究員）
來源：基因谷
註：封面圖片來源於網絡