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对手是肌萎缩,他是CRISPR的第一批

2013 年 1
月,张锋作为通讯作者、丛乐作为第一作者在《Science》发表论文,介绍如何将
CRISPR 基因编辑技术用于植物、动物与人类细胞,充分表明了CRISPR
技术有潜力修改哺乳动物的基因组
有助于改进人类疾病建模和对新治疗方法的探索

文 | 陈晓雪

伴随越来越多突破,这一技术正在被越来越多的人们接受和认可。如果说在诞生之初,CRISPR/Cas9还只是生物学家的实验工具,到今天,这项技术已经离普通人的生活越来越近。日前,三组研究者在《科学》杂志上发表了同一领域的研究成果:利用CRISPR/Cas9技术,他们对患有杜兴氏肌肉萎缩症(Duchenne
Muscular
Dystrophy)的小鼠进行了治疗,取得了良好的效果。这是在用CRISPR/Cas9治疗遗传疾病领域跨出的惊人一步。

由张锋实验室发表在《Science》期刊上的文章“ Multiplex Genome
Engineering Using CRISPR/Cas Systems ”首次揭示了CRISPR-Cas 9
系统作用于人类和鼠类细胞基因的研究及其应用前景,现已经被引用了超过 5000
次。

11月2日下午2点,清华大学郑裕彤讲堂的工作人员还在调试讲台上的麦克风和投影仪,就开始有人在断断续续入场。

杜兴氏肌肉萎缩症

肌肉萎缩疾病是困扰人类多年的一类重大疾病。患有这类症状的病人肌肉营养不良,难以行动,代谢紊乱,许多病人寿命很短。

在多种肌肉萎缩症中,杜兴氏肌肉萎缩症可以说是最为凶险的一种——患有这一疾病的病人在12岁左右多会丧失行走能力,骨骼和肌肉发育畸形。随着病情的进展,全身肌肉都会表现出萎缩的症状。而当这种恶变波及心脏和呼吸系统后,往往会造成患者心功能紊乱或呼吸衰竭,最终导致死亡。

遗传因素是造成杜兴氏肌肉萎缩症的主要原因。肌肉在收缩时,需要一种名为Dystrophin的重要蛋白质来保持肌纤维的稳定性,Dystrophin由79个蛋白编码区域组成,其中的任何一个发生突变可能会导致蛋白失去活性。杜兴氏肌肉萎缩症正是由于Dystrophin突变造成的。这一疾病在肌肉萎缩疾病中相对常见,约每3500个男婴中就有一例杜兴氏肌肉萎缩症患儿。 

杜兴氏肌肉萎缩症发病的频率和严重程度,使其成为医学研究的重要课题。然而直到今天,对这一疾病,人们仍未有很好的治疗方案。而CRISPR/Cas9的问世,也许会带来新的曙光。

麻省理工科技评论 35 岁以下年度创新 35
人就是一场,属于那些带来技术火种的“普罗米修斯”们的聚会。

清华大学医学院一位博士研究生打电话跟同学说,“你要是4点到,肯定不用来了。实在来得太晚了。”

参考文献:

  1. Nelson et al. In vivo genome editing improves muscle function in a
    mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Science DOI:
    10.1126/science.aad5143
  2. Long et al. Postnatal genome editing partially restores dystrophin
    expression in a mouse model of muscular dystrophy. Science DOI:
    10.1126/science.aad5725
  3. Tabebordbar et al. In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle
    and muscle stem cells. Science DOI: 10.1126/science.aad5177

责任编辑:

清华大学医学院研究员、主持人洪波不得不在报告开始前提醒听众尽量不要走动,保持现状,清华麦戈文脑科学研究所院长、主持人钟毅则用“水泄不通”来形容此刻的郑裕彤讲堂。

CRISPR/Cas9立功

由一小段模板RNA和核酸内切酶Cas9蛋白组成的CRISPR系统,源于细菌对病毒的免疫机制。2013年,科学家将这个系统从细菌身上“借用”到实验室用于对基因的定向编辑。两年的时间中,许多研究小组在不同的物种中应用和改良了这一系统,最终使得其成为了一种高效而精确的基因编辑方式。

在对杜氏肌肉萎缩症小鼠模型进行的治疗尝试中,三个不同的研究小组使用了一种被称为腺相关病毒(adeno-associated
virus,AAV)的无毒病原体,将基因编辑所需的元件送入小鼠体内进行表达。借助CRISPR/Cas9系统的力量,研究人员能够“移除”发生变异的编码区域,恢复Dystrophin蛋白的正常功能。这一治疗思路被证明是有用的。研究人员发现,患病小鼠体内Dystrophin蛋白恢复了表达。

杜克大学查尔斯·格斯巴赫(Charles A.
Gersbach)小组的研究成果表明,相比治疗前,约有60%的肌纤维蛋白能够恢复表达这一蛋白的能力\[1\]。小鼠的肌萎缩症状也得到了相当程度的缓解。

澳门新匍京客户端下载 1另一小组,德克萨斯州西南医学中心埃里克·奥尔松(Eric
N.
Olson)团队也成功缓解了患病小鼠的症状。这一治疗是经由CRISPR/Cas9恢复肌纤维细胞表达Dystrophin的能力得以实现的。研究人员利用红色荧光染料标记Dystrophin。在野生型小鼠(左列)的心肌细胞中,这一蛋白大量表达,但在患病鼠(中列)中,该蛋白表达几乎消失。而在接受CRISPR/Cas9基因治疗的小鼠(右列)中,随着治疗时间的推移,肌细胞中Dystrophin的表达正在逐渐的恢复。图片来源:参考文献[澳门新匍京客户端下载,2]

哈佛大学的艾米·维杰斯(Amy J.
Wagers)则用延时成像技术记录下了原本罹患肌萎缩的小鼠的肌卫星细胞在经过基因修正后在培养基中形成肌小管的过程\[3\]。他们发现,基因编辑重建了部分肌卫星细胞中正常Dystrophin的表达。不过,克里克研究所的遗传学教授罗宾·洛弗尔-巴奇(Robin
Lovell-Badge)评论称:“由于在心脏中不存在与骨骼肌的肌卫星细胞等效的、可以形成心肌细胞的干细胞群,我们必须寻找其他方式来提高对这一组织的编辑效率。”

澳门新匍京客户端下载 2在经过基因编辑后,被红色荧光蛋白标记的肌卫星细胞形成多核的肌小管。图片来源:Mohammadsharif
Tabebordbar

2013年,发明CRISPR/Cas9系统的华裔科学家张锋入选《自然》杂志年度十大人物。在接受采访时,他表示希望这一技术最终能够用于人类基因的编辑,并进行遗传疾病的治疗。现在,这三组研究者的这些努力正在使这一期许逐步变为现实。

虽然目前的研究只是对小鼠进行的,要走向临床试验,还需要做相当大量的工作。英国皇家兽医学院肌肉骨骼生物学教授多米尼克·威尔斯(Dominic
Well)评论:“AAV载体能否在人体内有效传递尚未得到证明。同时,CRISPR/Cas9系统也有潜在的脱靶可能性。尽管目前的研究展示了基因编辑技术在治疗DMD上的潜能,但在考虑临床应用前,我们仍需进行许多进一步研究。”

不过,作为CRISPR/Cas9又一个里程碑式的突破,这个研究结果依旧向许多人提供着说服力十足的鼓舞:在生命科学发展如此迅猛的今天,我们所期待的未来,大概并不遥远。

(编辑:Calo)

作为首届《麻省理工科技评论》中国区 35
岁以下科技创新青年,丛乐就是将这项技术带到人类基因世界的青年科学家之一。据Justia
Patents显示,他的研究成果已申请超过 30 项专利,其中和 CRISPR相关的超过了 20 项。

现场问答回应专利争议

在观众问答环节,张锋就公众关心的基因编辑技术与伦理、CRISPR-Cas9专利等问题进行了解答与回应。

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张锋为同学们答疑解惑

反对基因定制婴儿

随着CRISPR-Cas9基因编辑技术不断成熟,公众越来越关注其应用前景以及可能存在的伦理问题。

今天3月,《麻省理工科技评论》发表评论性文章称,科学家已经研发出可以编辑人类生殖细胞的技术,也就是可以改变未来孩子们的基因,人们担心,对生殖细胞进行基因改造将会创造出一个由超级人类和为有钱人定制婴儿的工程师构成的反乌托邦社会。

对于备受公众关注的基因编辑婴儿(gene-editing
baby),张锋认为,从长期来看,基因编辑技术发展到了能够达到治疗一些遗传性疾病,“我觉得大多数人会认可这一点(通过基因编辑治疗遗传性疾病)”。他举例说,“如果一对父母想要孩子,但他们都有某种突变的遗传疾病,用基因编辑技术来修复胎儿的这些突变是有可能的。”

不过张锋同时表示,基因编辑技术要想达到实现精准治疗的程度,还需要很长一段时间。

而对有目的地去设计婴儿的某些特性,张锋表示完全反对:“这样的风险是很大的,因为我们对生物遗传系统的复杂程度还知之甚少,要是直接引入某些突变,你无法预测它在整个系统中出现什么样的反应”。

今年4月,中山大学副教授黄军就团队利用CRISPR-Cas9技术试图修改人类胚胎中可能导致地中海贫血症的β-珠蛋白HBB基因,曾引发国内外科学界关于基因编辑技术与伦理的激烈讨论。张锋表示,虽然他没有评审这篇论文,但读过论文之后,“我觉得它的结论有一定的合理性”。他指出,黄军就团队的研究有三个发现:首先,基因组编辑的效率不够高,会导致胚胎出现很高的嵌合性;其次,修复效率不够高,没有100%剪切重组修正靶向基因;第三,脱靶率较高,不够精确。“论文最后的结论是,我们目前还不能够使用基因编辑去治疗遗传疾病。我觉得这个结论非常谨慎客观。”张锋说。同时,考虑到中山大学使用的人类胚胎是三核受精卵(一个卵细胞核两个精子细胞核),即不能发育为正常胚胎的受精卵,张锋评价说,“这也是一个非常聪明的选择,这在IVF(体外受精)也是经常发生的事情”。

谨慎改造其他物种

Gene drive最早由伦敦帝国理工学院进化遗传学家Austin
Burt在2003年提出,是一个能够快速将特定性状扩散到群体中去的系统。一般来说,物种中都会存在被遗传概率比普通基因高的一些基因。利用这些特殊基因的遗传偏好,理论上可以将人为改造的基因散播到野生群体中,这些改造可以是基因的增添、破坏或修饰,也可能会降低个体生育能力,导致整个物种灭绝。

去年,以哈佛大学教授George
Church为代表的一批科学家提出以CRISPR为基础的gene
drive。利用CRISPR-Cas9编辑编辑技术,科学家们可以把外源基因快速引入到动物群体,并由此对人类不希望存在的物种进行控制,比如蚊虫等。去年7月,Science杂志阐述了gene
drive可能会带来的环境影响以及相应的风险管理。

“Gene
drive也是一个同样重要的领域,”张锋说,“我的个人看法是,我们在生态学方面运用这个技术的时候更需要仔细,因为这种基因改造的后果往往不可以逆转,尤其是在那些繁殖很快的物种,
杂交后会产生很多不可预料的结果 。”

张锋认为,生命是有弹性的,“如果有一个物种携带基因驱动的特点,即使我们能预测它会一直复制,也可能会进化出一些新的生命机制,也有可能激活基因驱动的活动。这些是我们很难预测的,所以需要做更多的研究才能理解。”

回应CRISPR-Cas9专利争议

2014年4月15日,美国专利与商标局(the United States Patent and Trademark
Office,
USPTO)将使用CRISPR-Cas系统来编辑真核基因组的专利授予了博德研究所和麻省理工学院。截止到今年11月,张锋实验室以及博德研究所关于CRISPR-Cas9的相关专利在美国已经有14个被批准,在欧洲也有4个已经被批准。

据《纽约时报》报道,加州大学和博德研究所就CRISPR-Cas9技术专利应授予谁而发生争执。2012年6月,加州大学伯克利分校的Jennifer
Doudna 和瑞典于默奥大学Emmanuelle
Charpentier领导的研究小组在Science发表文章,报告使用CRIPSR-Cas9在试管中可以切割靶向DNA,揭示了CRISPR-Cas9如何变成编辑工具。Doudna和目前任职于德国Helmholtz感染研究中心的Charpentier抗议道,他们提交专利申请的时间要比张锋早几个月。

而张锋则表示,他在2011年就开始有了把Cas蛋白簇和tracrRNA放到哺乳动物细胞中的想法,也第一个证明了CRISPR-Cas9整个概念,
使CRISPR-Cas9从最初的构想在(哺乳动物)细胞里成功展现应用,这是他和博德研究所能够得到CRISPR-Cas9相关专利的原因。

“美国的专利是给第一个发明(first
invent)的人,而不是给第一个申请专利(first
file)的人,你要能提供第一个发明的证据,这是美国审批专利的标准。”张锋说。

今年7月,张锋在《人类基因治疗》杂志(Human Gene
Therapy)发表综述文章,介绍CRISPR-Cas基因组编辑系统的前景与挑战。他指出,CRISPR-Cas系统未来很重要的一个应用是遗传性疾病的精准治疗。以CRISPR-Cas9为基础的基因编辑技术在一系列基因治疗的应用领域都展现出极大的应用前景,如血液病、肿瘤和其他遗传疾病。

围绕CRISPR-Cas9巨大的潜力,多个创业公司迅速诞生,吸引数亿美元风险投资。Doudna最初创立Caribou
Biosciences公司来继续CRIPSR-Cas9技术的研究,后成立Intellia
Therapeutics,专注疾病治疗,最近更与诺华展开研发合作计划,加速发展CRISPR-Cas9技术在CAR-T细胞治疗和造血干细胞中的应用。Charpentier则参与创建了Crispr
Therapeutics公司,专注于基因编辑技术CRISPR-Cas9。张锋本人则与哈佛大学的Church教授于2013年创立Editas
Medicine公司。

张锋表示,当初申请专利是希望保持技术的公开化,“CRISPR-Cas技术太基础了,我们期望把它变成一个任何人都可以利用、往前走的工具”。他表示,现在任何一个公司要使用CRISPR-Cas9技术的话,都可以使用,“如果做基因治疗,只要Editas没有发明,他们都可以从Editas或博德研究所拿到开发其他疾病治疗的权利”。

在报告会上,张锋还表示乐意为有需要的科研工作者提供相关技术支持。他和其他研究小组建立了一个在线资源支持网站,“有什么问题可以发到群组论坛里面,里面不仅有我们自己的研究小组,还有世界各地的研究小组”。

今年诺贝尔奖公布前夕,张锋被国内媒体寄予厚望,被认为有可能获诺贝尔生理学或医学奖。“我们做科学,最主要是想做一些有意思的,而且可能会对社会有影响的工作,但愿我们的工作能够帮助那些遭受疾病折磨的人”,
张锋就此回应说。他表示,在做自己非常感兴的事情同时可以得到其他人的肯定,“是一种幸运”。

(柏涛、张厉对本文亦有贡献。)


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对于CRISPR/Cas9基因编辑技术来说,刚过去的2015年是特别的一年。人们利用它“清理”猪基因组中的内源性逆转录病毒;利用它改变人类胚胎的基因序列;甚至将它优化成更精确的基因编辑系统……

中国科学院的高彩霞教授团队,在国际植物基因编辑领域也先后取得了一系列突破进展。

张锋是谁?

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张锋在清华大学郑裕彤讲堂

张锋是麻省理工学院(MIT)与哈佛大学博德研究所的核心成员,MIT麦戈文脑研究所研究员,同时是MIT大脑与认知科学系和生物工程系的助理教授。

张锋1983年出生于河北石家庄,11岁那年随父母移民美国爱荷华州首府得梅因。他本科毕业于哈佛大学化学物理专业,2009年获得哈佛大学化学与生物工程博士学位。

现年33岁的张锋与最为接近诺贝尔奖的两个领域有着密切的联系,一个是可能用于治疗自闭症、精神分裂症等神经性疾病的光遗传学技术(optogenetics),一个是拥有魔法般能力的基因编辑系统CRISPR。

光遗传学技术源自一种藻类蛋白,这种蛋白对光线非常敏感,将该蛋白插入神经元细胞之后就相当于在神经细胞当中安装了一个开关,科研人员可以通过是否给予光照刺激的方法打开或者关上这个开关,通过这种方式对细胞进行调控。光遗传学技术现在被广泛应用于对某种特定种类的神经元细胞的功能开展研究,以及对抑郁症或自闭症患者神经通路异常情况的研究等。

斯坦福大学的科学家Karl Deisseroth是张锋读博期间的导师,他和MIT教授Edward
Boyden是公认的光遗传学技术主要贡献者。在Deisseroth实验室期间,虽只是一名研究生,张锋却深度参与到光遗传学技术的研究。“他的技术对光遗传学研究至关重要,其他研究者只是将光感的离子通道插入到神经元来控制它们的活动,但只有张锋在哺乳动物细胞里使这一系统得到优化。”Deisseroth曾经评价道。

几年之后,张锋取得了使他跻身于世界一流生物学家行列的发现:成功实现利用CRISPR-Cas9系统对哺乳动物细胞进行快速、高效、简便的基因编辑。

CRISPR(规律成簇的间隔短回文重复序列,Clustered Regurlarly Interspaced
Short Palindromic
Repeats)是细菌和古细菌在长期演化的过程中形成的一种适应性免疫防御系统,可用来对抗外来的病毒和DNA,由西班牙科学家Francisco
Mojica最早发现其位点特征。2013年1月,张锋实验室证实,利用CRISPR-Cas9系统可以对人和小鼠的细胞进行基因编辑,揭示出CRISPR-Cas9的巨大潜力。

诺贝尔奖生理学或医药学得主、美国遗传学家与分子生物学家Phillip
Sharp评论说,“(CRISPR-Cas9)正在改变我们研究科学的方式”。

近些年来,CRISPR-Cas9已经成为生物学领域最为引人瞩目的基因编辑技术,科学家用它来编辑农作物、家畜甚至是人类胚胎。

文章题图:popsci.com

3、改良现有粮食作物,来自纽约冷泉港实验室的科学家曾经就利用该工具提高番茄产量。

编者按:

美国名牌大学教授称之为“天才小子”(boy
genius)、美国《科学家》杂志称为“基因编辑领域的迈达斯(The Midas of
Methods)”、在国际科学界闪闪发光的新星、更被视为今年诺贝尔奖的热门候选人,是什么成就了这位年仅33岁的青年科学家?他所掌握的生物学领域引人瞩目的基因编辑技术将如何改变人们研究科学的方式?

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一位专程从武汉赶来的华中农业大学大四的小伙子运气不错,2点20分左右抢到了第二排的位置。

2017 年夏天,美国科学家们就用 CRISPR
删除了人类胚胎中的一个缺陷基因,2018 年,中国科学家也利用 CRISPR
编辑人类胚胎以治疗罕见病。

后门的人越来越多。不知道谁喊了一声,“清华的学生不能这么没素质,人没来怎么能占座呢?”顷刻间,所有的空座位被填满。

更多精彩内容及重磅嘉宾敬请期待!早鸟票通道现已开启,,来一场“Meet 35”的邂逅。

她说的没错。临近下午4点,讲堂内两边的过道和讲台前面的空地已经挤满了人,还有人不断地尝试从前门进入,被工作人员一次次拦住。

CRISPR
原本是一种源自细菌及古细菌中的一种获得性免疫系统,却意外成为了真核细胞体内的基因组编辑工具。短短两三年的时间,CRISPR
已发展成为生物学领域最炙手可热的研究工具之一
。它不但丰富了我们对于细菌、古细菌生理机制的认知,更重要的是,人类可以利用它对基因进行改造

张锋讲座现场“水泄不通”

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