独家专访George Church博士:基因编辑的下一个重大突破在哪里?

“每个人都应该对他们的基因组进行测序,要了解你自己,理解你自己。”提出这个观点的是哈佛大学医学院(Harvard Medical School)与麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的George Church教授。1984年,他开发了世界上第一个基因组直接测序技术,在当年人类基因组计划(Human Genome Project)的启动中起到了推动作用;2005年,他又参与发起了个人基因组计划(Personal Genome Project)。

Church教授是基因组学和生物技术领域全球知名的科学先驱,累积发表了超过400篇学术论文,并拥有95项专利。他的诸多突破性创新也成为了Editas Medicine(基因治疗)、 Gen9bio(合成DNA)等知名生物技术新锐的基础。这些公司正在将这些创新技术应用于医学诊断、创新疗法以及合成生物学中。

在与药明康德进行的专访中,Church教授指出,目前有2400项基因疗法相关的临床试验正在进行中。这些能增加、删减、或是抑制特定基因的方法,将成为“全新基因组技术生态系统”的有机部分。


药明康德:Church教授您好,很高兴能与您交流。作为应用基因编辑技术的大师,在您看来,基因编辑技术在生物技术的发展历史上有着怎样的地位?它的下一个重大突破又会是什么?

George Church教授:哺乳动物的基因编辑从1980年代起步,并不断进步。说到基因编辑技术,有些人首先想到就是CRISPR。但我认为CRISPR并不是最伟大的基因编辑技术。虽然我参与了CRISPR技术的转化,但这样说并不是因为谦虚。

在我看来,真正基因编辑的革命发生在重组DNA技术诞生后不久,远早于CRISPR技术的问世。这也是Mario R. Capecchi博士和Oliver Smithies博士在2007年获得诺贝尔奖的原因。那是真正意义上的基因编辑技术。这项先驱性的工作是在小鼠体内完成的。为了让它能应用到其他的生物里,需要一系列不断积累的改进,这包括了用归巢核酸内切酶(meganucleases)、锌指核酸酶(ZFNs)、TALENs以及CRISPR,产生靶向的双链断裂。这些都是在Capecchi博士与Smithies博士的工作基础上做出的稳步提升。现在,这些基因编辑技术基本上能应用到所有的生物中。


“使用胚胎干细胞在小鼠中引入特异性基因修饰的原理”的发明人获得2007年诺贝尔生理学或医学奖。(图片来源:诺贝尔奖官网)

这里头,真正的突破在于我们在“读取(read)”和“编写(write)”DNA上取得的进步。回到你的第二个问题。下一个重大突破会是什么?我认为会是“编写”DNA,而非“编辑(edit)DNA的能力。这是一系列逐步改变的过程,能带来巨大的影响,它包括添加基因,删除基因(或降低基因表达),以及精准编辑。最终,我们能在任何想要的地方,写入任何你想要的基因。

药明康德:在您看来,什么疾病最适合采用基因编辑治疗?您觉得其中有什么限制吗?

George Church教授:目前,有大约2400个基因疗法获批进入了临床试验,其中大部分疗法是增加一个基因,少部分疗法涉及到使用RNAi、ZFNs与TALENs对基因功能进行削弱。然而,涉及精准基因编辑的疗法几乎为零。

药明康德:您怎么定义精准基因编辑?

George Church教授:增加基因时,基因能插入到染色体的任何一个位置。要移除或是下调一个基因,你要么引入一个干扰分子,要么直接攻击这个基因,把它弄成一团糟。在一定程度上,这也是随机的。几乎没有什么办法能彻底移除一个基因。

精准基因编辑是指拿走一个胸腺嘧啶,补上一个腺嘌呤这样的操作,或者是指正好移除4个碱基,不多不少。这才是精准编辑。我相信每个人都做过类似于编辑的工作,或者至少都和编辑打过交道。你不会把“从书中撕下一整页”这样的行为称为编辑,但这就是目前的现状。当大部分人在谈论基因编辑时,他们实际上说的是把基因组弄得一团糟。

药明康德:那要怎样才能实现精准编辑呢?

George Church教授:方法倒有不少,但它们的效率要低很多。人们也倾向于完成容易完成的任务,会说“我不想要树顶上的水果,它可能是酸葡萄。我还是摘接近地面的果子吧”。但如果我们真的能像基因敲除那样方便地实行精准基因组编辑,我们就会选择后者。

拿镰状细胞贫血来说吧。这是一个简单的点突变,腺嘌呤(A)变成了胸腺嘧啶(T)。你只需要改正这一个碱基就可以了。但事实上,我们正在不断绕圈圈。我们会说,也许有一个基因,我们突变掉它以后,能达到同样的效果。囊性纤维化也同样如此,主要原因只是少了3个碱基。世界上有数百种疾病,要治疗它,只需要把基因恢复到野生型的状态。我们没有必要去做基因敲除。


镰状细胞贫血是一种遗传病,由于HBB基因的单核苷酸多态性(A变成T)引起,该基因位于11号染色体(图片来源:维基百科)

药明康德:关于基因编辑,最主要的伦理担忧是什么?

George Church教授:主要还是安全性与有效性,就像许多被美国FDA和欧洲EMA批准的新技术一样。当然,也有一些臆测的担忧,比如在几代后出现的潜在效果,基因的不兼容性,或是选择后代特征的商业行为。

药明康德:您能举一下几代后出现的潜在效果,以及基因不兼容性的例子吗?

George Church教授:有言在先,这些都是臆测中的担忧。这就好像在第一个原子弹引爆前,人们担心它会与大气中的氮同位素发生链式反应。这当然没有发生,但人们还是对它有过担忧。不管怎样,人们最终还是尝试了原子弹。

“几代后才会出现的影响”真的只是一个假设。如果你往前看4代人的生活,他们确实比今天的人们要矮,因为现在的营养更丰富。但我想说,这是因为表观遗传学对每代人产生潜在的影响。比如有些突变会随着代数进行累计,所以我们能进行预测,了解在哪一代人的时候,突变会量变引起质变,带来亨廷顿病等疾病。

基因不兼容的假说就有点像药物不兼容。我的岳母要吃高剂量的布洛芬,我去药店给她拿药时,发现布洛芬和她正在服用的甲氨喋呤是不兼容的。在遗传学的水平上,类似的事情也有可能发生。比如果蝇的P-元素在一种果蝇里是无害的,但会在基因组不兼容的果蝇里带来大量随机的损伤。

药明康德:您谈到了表观遗传学。它在基因编辑中起到了怎样的作用?

George Church教授:表观遗传学在所有的遗传学中无处不在。一些人会在指代一些神秘的事件时用上表观遗传学这个词,但它实有所指。这是遗传学运作的方式。在植物中,可遗传的表观遗传学已经得到了很好的研究,也带来了潜在基因“编辑”的手段。我们知道如何在表观遗传学上重编码哺乳动物的细胞,让它从一种类型转变为另一种。这和基因编辑有关,但不是紧密相关。它只是一个你能检查的环节。

我们应该了解基因编辑可能带来的所有后果。通常情况下,你需要对表观遗传学有了解。举例来说,如果我改变了一个基因的启动子,这条基因的表达就会受到影响,表达量就会下调。这都是表观遗传学。通过在表观遗传因子上做遗传修饰,你能了解到它的后果。

药明康德:您对基因编辑的应用持有任何保留意见吗?

George Church教授:我已经提到了基因编辑在人类临床上的应用。它还可能在农业或者是野生动物种类上有其他潜在的影响。基因驱动(gene drive)就是这样一个例子。我在哈佛的课题组是首批公开提到这些影响的人之一,我们也讨论了潜在的解决方案,包括生物控制、反向驱动、以及“雏菊驱动”(daisy drives,一种能自我限制的驱动系统)。


基因驱动的分子机制(图片来源:维基百科)

基因编辑面临的主要问题是人们想要有掌控权。他们不想让生物失控跑到野外,自己又无法将它带回。我们能预见到一个潜在问题是,基于CRISPR基因编辑的驱动方式是不可逆的。因此我们在可逆性和控制性上做了不少工作。我们如何把这些生物控制在实验室中?或者如果我们要将这些动物放到野外,又要如何确保它们只被限制在岛上?我们正在解决这样的问题。

药明康德:您能介绍一下雏菊驱动吗?

George Church教授:这是一种控制的手段。简单来说,在这个系统里,基因驱动1是基因驱动2所必须的,基因驱动2又是基因驱动3所必须的。当基因驱动3遍布整个岛屿时,基因驱动1和2早就用完了。因此,即便基因驱动的蚊子或小鼠逃到岛外,它们也没有足够的能力来传播到整片大陆上。这个手段看起来很像雏菊链(编者注:一种环状的网络拓扑结构),所以我们就叫它雏菊驱动。


药明康德:在把基因驱动应用到农业和野生物种上,有足够的政府监管吗?

George Church教授:每一个政府都有规定,我认为目前的政策正好。举例来说,如果你想要在美国释放野生动物,就需要FDA,EPA(Environmental Protection Agency),USDA(United States Department of Agriculture)的批准。FDA希望保护动物的福利,USDA希望保护已有的动物,EPA想要确保它不会不受控地生长。这些机构的组合对野生动物的释放来说是非常有力的。

我认为基因驱动技术还会有改善。但即便“雏菊驱动”能像我们想象那样运行,依然可能会有动物从一个国家逃到另一个国家。这意味着我们需要用另一层国际化的系统,也意味着我们需要得到全世界所有的国家的批准。举例来说,由于治疗的需求太过严峻,联合国可以获得所有国家的许可,来使用基因驱动的方法,消灭传播疟疾的蚊子。

药明康德:我们再聊聊基因疗法吧,对患者来说,想让他们理解基因编辑对他们的影响,最大的挑战是什么?

George Church教授:所有父母都有5%的可能性会生出一个有严重遗传病的孩子,这不限于那些有家族遗传病的父母。这些疾病的治疗费用可能高达2000万美元。所以我们所有人都应该通过遗传咨询,了解我们的DNA信息——单基因测序只要80美元,全基因组测序也只要1000美元——无需对基因进行编辑,就能预防遗传疾病。像Personal Genetics Education Project这样的组织正在创造性地帮助人们进行遗传知识扫盲。

药明康德:您是说当人们理解自己的遗传信息后,他们会对遗传病传给下一代变得更谨慎吗?

George Church教授:这就是我想表达的意思。有一些群体通过选择结婚对象,基本上已经消灭了Tay-Sachs病。要达到这个目的,并不需要严格限制你的约会对象或恋爱对象,只是有一小部分的人不会被介绍给你(作为结婚对象)。但这比治疗的代价要小多了。诊断Tay-Sachs病的遗传风险只要80美元,但如果你不幸生了一个Tay-Sachs病的宝宝,就要花几百万美元,而且还会给家庭带来痛苦。目前我们没有Tay-Sachs病的治愈手段。即便有,它也可能像其他已批准的孤儿药一样,要终身接受治疗。

药明康德:谈到基因编辑的短期和长期副作用,您最担心的是什么?

George Church教授:在理想情况下,我们应该在人类的大器官中做实验,这样我们就不用让人来承担风险。因为脱靶效应是基因组特异的,这样的实验是有必要的。

我认为有两类副作用,一类是脱靶编辑效应,另一类是你能精准地进行编辑,但一些你没有预料到的复杂生理反应出现了。只要你是把基因变回它的正常状态,第二种就不大会出现。

所以我认为脱靶效应是最有可能发生的问题。你不能真正预测会发生什么脱靶效应,所以要发现脱靶效应,唯一的办法就是通过大量的人体试验。但也不能在大量人体里进行基因编辑,这样又绕到了鸡生蛋和蛋生鸡的问题,我们还是要先在人类器官里进行基因编辑。那么,在没有人的情况下,怎么会有人类器官呢?可以在实验室生产它们。人造器官可能没有达到移植手术的标准,但足够进行临床前试验了。这只是我的猜测,不代表一个业界共识。但我觉得你可能需要测试安全性。理想情况下,进入人体前,最好能在人体器官里进行试验。

药明康德:再聊聊未来吧。未来5-10年里,基因编辑技术会经历怎样的发展?

George Church教授:会是指数式的增长,就像已经在DNA短序列的读取和编写能力上发生的那样。在几年的时间里,我们已经有了百万倍的改善。这些读取和编写能力对于新的基因组技术“生态系统”来说是关键的部分,这个生态系统也包括了基因编辑。

药明康德:您说到在DNA短序列的读取和编写能力在几年的时间里,已经有了百万倍的改善。这具体是指什么呢?

George Church教授:这是指下一代测序技术。我们能将人类基因组的测序成本从30亿美元降低到1000美元,这是在6年多的时间里实现的。这就是我说的指数级增长。除了读取短DNA序列外,我们也学会了如何更好地合成短DNA,这比几年前要容易上百万倍。这两者都是通过“molecular multiplexing”技术实现的。这些都是指数级增长的例子。我认为基因组编辑、组装和编写的价格变化也会经历类似的发展曲线。

药明康德:那您能再说一下基因组技术“生态系统”吗?

George Church教授:这就像一个充满技术人员和临床医师的群体。我们有基因组技术的生态系统,人们能够编辑基因组,但不止是编辑基因组。如果你不能读取基因组,你就不能做编辑。所以这是更简便的DNA读取技术、合成技术的组合,能创建大量的文库。这些现在看来令人惊叹的基因组工具,会作为下一轮指数级增长的助推燃料。

药明康德:您认为我们实现了人类基因组计划的愿景吗?

George Church教授:首先,我不是那些承诺能带来治愈方法的人之一。我们课题组专注于改善技术。顺便一提,我们还没有对任何一个人的基因组完成测序。有人说人类从来没有在月球上登陆,但我认为还是做到了的。但是,我们确实没有完整地完成人类的基因组测序。我的课题组正在使用全新的方法,这有望让这成真。

所以答案是肯定的。我认为人类基因组计划带来大批技术的应用,而不仅是测了30亿碱基对。现在我们能够反复阅读基因组数据,诊断疾病,了解基因与疾病的关联,以及利用基因读取和编写技术治病。我认为我们已经实现了这个愿景。现在我们有健康的工业界合作体系。举例来说,数百万女性接受了无创产前筛查(NIPT)。几年前,这个数字还是零。为什么大家不能完全体验到基因组测序带来的好处呢?

药明康德:将基因编辑疗法带给患者,最大的挑战是什么?

George Church教授:临床试验。临床试验是昂贵的,基因编辑疗法需要资金和时间,才能得到FDA的批准。要在8年里让新药上市是很困难的。临床试验开始后,就开始治疗患者。如果这个药物的效果特别好,那么有可能第一年就看到治愈的效果。但这并不意味着它能上市。要上市,它还要等上很多年。

药明康德:您认为这样的流程会最终改变吗?

George Church教授:一方面,我认为这个流程应该变得更好,让我们能尽快地完成临床试验。但另一方面,我希望在我们没准备好前,法律不要改变。总有一些人想要抄近路,走捷径。2000年,一些基因疗法在2项临床试验中夺走了3个人的生命,最终导致基因疗法的开发出现倒退。我觉得这是因为研究者有点操之过急了。

现在,世界上的大部分国家对基因编辑都很谨慎。我认为要有严格的监管,但也要有创新。一旦有了创新,严格的监管就能带来创新的治疗和诊断手段。它们应该能表现不错。

药明康德:您认为基因编辑生态系统里的新技术,对公众的理解会是个挑战吗?

George Church教授:公众的理解是一个巨大的挑战。基因组技术没有像其他事物一样抓住人们的注意力,这令人遗憾。人们更喜欢谈论明星、体育以及消费品。

尽管风险很高,没有人真正考虑这个问题。如果你的孩子健康,父母就完全不关心遗传诊断。这就是没有人谈论基因组技术的原因。但是你要知道,遗传病孩子的父母需要辞职来照顾孩子,或是募集资金。大多数人觉得这些事情不太会发生在自己身上。如果遗传病发生概率有5%,每个人都觉得自己属于另外95%。但是他们怎么能确保呢?不去测一下基因,我们根本就不知道。

所以我们需要像汽车里的安全气囊这样的东西。每年全世界依然有一百万人死于车祸,但很少有人死在带有安全气囊的汽车里。如果没有安全气囊,车祸中丧生的人会更多。所以即使基因突变非常罕见,但人们对它没有免疫力,所以就来分析基因组。基因测序现在足够便宜,我们只需要去做就好了。

药明康德:那么基因编辑疗法的价格会成为患者应用的主要挑战吗?

George Church教授:我们所有基因(编者注:指外显子组)的测序成本降低到了80美元,全基因组测序的成本降到了1000美元。但是基因编辑疗法还是以百万美元计。疾病越罕见,医疗费用就越高。但尽管遗传疾病对个人而言发生概率很低,但对于群体来说,却相对很常见。全世界每年有5%的新生儿有缺陷。我相信随着时间推移,这种情况会发生改变。像基因组测序成本的降低需要时间,现在基因编辑疗法还没有迎来这样的拐点。所以在当下,价格会是一个问题。

这就是为何遗传咨询非常有吸引力,但人们直到生病才会想到医生。当家族里有人得了疾病,他们才问“基因疗法”在哪里。事实上,在生病前,人们就可以用80美元或1000美元去了解基因信息。但是现在的情况是,人们宁可在生病后选择100万美元的解决方案,也不愿采用支付得起的方法去避免问题发生。

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