作者:日本NHK“基因组编辑”采访组

译者:谢严莉

“好像有一种叫作基因组编辑的划时代技术,我们要不要去采访一下呢?”

那是2014年9月,某个忙碌于节目编辑工作的不眠之夜,新闻主管忽然在我们小憩聊天时说了这么一句话。当时,经京都放送局专门负责科学领域的新闻主管牵头,我们组建了一支由NHK京都放送局和大阪放送局的记者、制作人以及导演组成的采访组,并以这个阵容制作了多期报道最新科学成果的节目。从京都放送局到山中伸弥教授任所长的京都大学iPS细胞研究所只有十分钟车程,借助这个地利,我们平时就经常围绕iPS细胞研究等生命科学领域的话题进行采访。但即便如此,大家对“基因组编辑”这一技术却依然感到陌生。

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归根到底,所谓的“基因组”到底是什么?

我们就从这一点开始说起吧。

在我们的细胞之中存在着“基因”,正是它决定着“我”这个人类的“设定”——个子是高是矮,发色是黑是黄……通常而言,来自双亲的遗传信息在继承时经过完美融合,才形成了“我”这样一个人,这是不受个人喜好控制的“命中注定”。因此,就算我们再怎么渴望“变成像某某明星那样的美女”,也不可能一夜之间变美。

不止是人类,其他生物如狗、金枪鱼、土豆等,也都是基于继承“双亲”的遗传信息而形成的。说白了,所谓基因,就是一本用于制造我们人类个体的说明书,而某个生物所拥有的全部遗传信息则被称为“基因组”。这也就意味着,基因组通常是不可能发生改变的。然而,基因组编辑这一技术,居然能够通过对基因组进行“编辑”,从而“改变基因所记载的信息”。不仅如此,如今似乎已经产生了纯粹依靠编辑基因信息而诞生的生物……

听到“改变基因所记载的信息”这句话,最先浮现在脑海中的应该就是“基因重组技术”[1]吧。在超市的食品生鲜区,我们也经常能看到写着“基因重组食品”[2]的标签。

于是我向主管请教,基因组编辑和基因重组两者有什么不同,却没有获得明确的答案。当然,区别肯定是有的,主管再三强调,基因组编辑“据说真的是很厉害的技术”,“采访绝对会很有意思,放眼全世界,也还没有几家媒体意识到这项技术的革命性”。

的确,基因重组这个词很耳熟,但我们数得出来的也就只有大豆和玉米,那么基因组编辑是否仅能惠及其他食物?它能够作为基因重组的替代技术,这本身就已极具分量,那么这项技术可否进一步应用于人类呢?

在我眼前,有一位做视频的编辑正忙着对VTR录像进行剪切粘贴,这是字面意义所言的“编辑”。那么,对生物的基因也能像对录像带这样简单地进行编辑吗?对于这个疑问,如果答案确实是“可能”,那么,我们的未来毫无疑问将会因此而产生巨大的变化。在了解科学领域时,人们往往会因为难以看透某项研究所蕴藏的潜力而深切地感受到“伟大”与“可怕”的一体两面性。采访,正是揭示个中真相的最佳捷径。我们就此开始了针对基因组编辑的探访。

不存在于自然界的荷兰乳牛

2014年秋天,我们的第一位采访对象是京都大学研究生院农学研究科的木下政人助教。木下助教的小组在农学研究科之中具体的研究方向是“应用生物科学”和“海洋生物功能学”。他的实验室能把青鳉(medaka)等鱼类改造成研究用的实验动物。

实验室位于农学部研究大楼的五楼,在一间大房间中,数名学生正在操作电脑。作为专门研究海洋生物的实验室,屋内还安置了一个游动着各种鱼类的大水槽。我向附近的学生打了声招呼,随即被引荐到了木下助教位于里间的研究室。

木下助教身着粗犷的衬衣和牛仔裤,笑着出来迎接我。在他办公桌边的书架上,书籍一直堆到了天花板。其中有一本书的封面上印着“Medaka”的单词,他告诉我说,最近日语的“メダカ”(发音为medaka,即青鳉)已经逐渐变成世界通用的词语。青鳉的染色体和人类一样,都是XY型,而且几乎每天都会产卵,所以作为实验动物很有价值。再加上它的卵膜是透明的,便于观察生长过程,饲养方法也很简单,可以说优点颇多。

木下助教目前研究的是如何运用基因组编辑技术对鱼类进行品种改良。通过这种方法到底能培育出什么样的鱼类,另外,基因组编辑到底是一种什么样的技术呢?

“对生物品种改良而言,基因组编辑是一项极具革命性的技术。”

木下助教以奶牛为例进行了说明。我们每天喝的牛奶都来自“荷兰乳牛”(Holstein)这一牛种。众所周知,荷兰乳牛体形巨大,反应迟钝,性情温和,乳房十分发达,为我们生产了大量的牛奶,是一个伟大的牛种。

然而,身体下方垂着那么大的乳房,荷兰乳牛在理论上绝不可能从奔跑速度极快的肉食动物嘴下逃生。那么,它是如何从自然界残酷的生存竞争之中胜出的?其实这个疑问并不难解答——所谓荷兰乳牛,在自然界中原本并不存在。那么,它是如何诞生的呢?

最开始,人类对野生牛种进行“家畜驯化”,把牛饲养在围栏之中,让产奶量高的牛相互交配。经过漫长岁月的重复交配,终于诞生了荷兰乳牛这一理想的奶牛品种。

不止是奶牛,许多以稳定食物供给为目的的生物品种都是经过类似的重复交配而获得的,比如结穗多的水稻、精肉产出比例高的牲猪。除此之外,犬类的品种也相当繁多,外表、性情、体格以及毛色的区别,都是各种各样的犬只经过杂交而形成的。然而,若是创造新品种,则必须经过数百年的漫长岁月。这还是在杂交顺利的情况下,实际上,我们不一定在每次杂交中都能获得符合预期的品种。

基因重组技术的诞生

那么,能不能想办法在较短的时间内改良出理想的品种呢?一种方法就是直接在该生物的基因上“动手脚”。

比如,大米是日本人的主食。除了开发能结出更多稻谷的水稻之外,科学家也进行过各种其他尝试,其中一种手段就是使用突变原(mutagen,化学物质或放射性物质)改变部分基因。据说通过这种方法,科学家曾创造出剩饭在放冷后也不会变硬的水稻品种。

又比如,为了增大人工养殖的牡蛎的体型,研究人员在卵的阶段降低温度或施加压力,增加染色体条数。染色体条数的增加会导致生殖器官的生长停滞,卵巢或精巢萎缩,而节省下来的能量则会被用于增大体型。

如此,在各种技术的反复试错之后,诞生的新技术就是基因重组。基因重组指的是通过引入外部的其他基因(外源基因)来改变生物性状,例如在动物的基因中引入植物基因。通过这项技术,可以把不同生物的基因混合在一起。最近,除了基因重组的大豆和玉米之外,用基因重组技术培育的早熟鲑鱼已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市。

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然而在进行品种改良时,就算采用了突变原和基因重组技术,时间仍是个大问题。比如,我们要利用突变原破坏某个特定基因,让它无法起作用。在这种情况下,如果单纯只使用突变原,在数量上万的庞大基因之中,我们根本无法预测遭到破坏的会是哪个部分的基因,想要破坏目标基因,只能依靠偶然。而且在绝大多数情况下,遭到破坏的都是非目标基因,所以研究者们只能不断重复相同的实验。

就算利用基因重组技术,研究者也同样只能在成千上万次的重复实验中静待符合预期的情况出现,观察目标基因是否开始工作。除此之外,别无他法。但在当今时代,研究者们的共同心声是难以忍受如此漫长的实验过程。我们经常在各种采访中听到基层的研究人员抱怨科研经费的申请越来越困难。

把数百年的时耗缩短至几年

“这种局面之下,新出现的技术就是基因组编辑。它与以往的技术相比,效率非常高。”

话题终于回到了基因组编辑技术上。所谓基因组编辑,简而言之,就是一种“能以迄今为止从未达到的准确率,破坏指定基因”的技术。

生物的基因中含有名为“碱基”的物质,它分为四种类型,通过相互组合来承载信息;细胞中则含有能与碱基相结合的物质。基因组编辑技术就是利用了该物质的这种性质,把能与待编辑基因相结合的物质传递到细胞内,令其与目标基因相结合。

上述被传递到细胞内的物质,还会与另一种能切断基因、起到“剪刀”作用的物质连接到一起。一旦这一物质与待编辑基因进行了结合,“剪刀”就发挥作用,将基因切断。基因被切断的过程即为其破坏机制,有“TALEN”和“CRISPR-Cas 9”等多种手段可以实现。

与施加作为突变原的化学物质相比,通过这种方法的确能够更准确地破坏基因。比起只能依赖偶然性、根本无法预测实验到底能不能成功,这是非常卓越的进步。木下助教还特别强调,与以往相比,新方法需要消耗的时间有了根本性的缩短。

“对于鱼类的改良,如果被动地等待偶然发生,需要花上一百年甚至两百年的时间。但如果使用基因组编辑技术,理论上只需要几年就够了。”

等待整整一百年,这根本就不切实际。而新技术如果使用顺利的话,能将时间缩短到百分之一,把不可能变为可能。用“极大地提高效率”已不足以形容其突破性,这根本就是另一个层次的技术了!

摘自《基因魔剪:改造生命的新技术》,浙江大学出版社,策划方:蓝狮子图书。

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