cas9蛋白(科技解码公开课｜最顶级的造型师，名叫Cas9……)

我们知道，有很多遗传病

是从受精卵产生的一刻就注定

有没有办法与悲催的命运抗争

广医三院的刘见桥团队做了努力

他们希望能够通过基因编辑

在遗传病的治疗上

找到一线曙光……

近日，《自然》发布了2019年度影响世界的十大科学人物，其中有一位被称为“CRISPR转化者”的邓宏魁，他的研究是通过基因编辑干细胞治疗艾滋病和白血病。

基因编辑，是疑难杂症治疗至关重要的一个研究方向，它是微观世界里的“手术”，却对人类社会影响重大。在广州，广医三院的刘见桥研究团队联合上海科技大学黄行许教授团队，就利用碱基编辑技术成功在胚胎层面修复了遗传疾病马凡综合征（MFS）的致病基因，这是中国科学家首次通过碱基编辑技术在人二倍体胚胎上纠正遗传疾病的致病突变。

这看起来深不可测的基因编辑技术有没有可能用浅显易懂的语言描述出来？我们请来刘见桥教授担任我们的授课老师，从β-地中海贫血和马凡综合征两项遗传病的基因编辑研究入手，为我们科普两大基因编辑手法。

授课老师：广州医科大学附属第三医院生殖医学中心主任刘见桥、医师曾艳婷

DNA（基因）与遗传病

人人都知道DNA，带有遗传讯息的DNA片段被称为基因。基因储存着生命孕育、生长、凋亡的全部信息,它就像一个“指挥官”，组合成一串串指令，指导生物体的发育和生命机能运作。有一些家族遗传病，就属于基因疾病，比如白化病、血友病、先天性耳聋、地中海贫血、马凡综合征、蚕豆病等等。

数据显示，目前，全世界范围内约有3亿人患有罕见病，80%的罕见病是由基因缺陷所致。已知的单基因遗传病大约有8000种，大约占人类疾病的10%。单基因遗传病中，一半患者在出生时或儿童期即可发病。目前不到1%的单基因遗传病有治疗方案。

如果能从胚胎层面修复有遗传缺陷的基因，那是不是意味着父母携带的遗传病不会出现在孩子的基因里，遗传疾病将会就此被阻断呢？

科学家们想到了基因编辑。如果能在胚胎阶段介入，把致病基因改头换面，成为正常的基因，是不是就能根治这些遗传疾病呢？

针对两种常见的遗传病β-地中海贫血和马凡氏综合征，广州医科大学附属第三医院刘见桥教授团队进行了基因编辑治疗疾病的研究探索。

遗传病：β-地中海贫血

地贫是南方各省最常见、危害最大的遗传病。据了解，广东每100个人就有8.53个携带了地贫基因。大部分人虽是轻型地贫，却会将基因遗传给下一代，让他们患上重度地贫。

β-地中海贫血，是因为β珠蛋白基因突变导致的，这种基因突变会导致β血红蛋白的合成缺陷，造成红细胞功能障碍，氧气运输便会出现问题。重度地贫患者就会出现发育障碍、器官功能障碍等临床症状。如不及时治疗，有可能导致死亡。重型地贫的诸多症状，在新生儿出生的半年后就会逐步显现，如果不进行干预，孩子往往活不过一岁。

重型的β-地中海贫血患者，只有靠造血干细胞移植才能彻底根治，而且就算治好了，致病基因依然会遗传给下一代。

研究人员希望，在胚胎阶段通过基因编辑手段，修复致病基因，阻断其遗传给下一代。

——怎么对带有β-地中海贫血致病基因的胚胎进行基因编辑？

第一步，首先要有一个卵子。这来源于接受助孕治疗患者捐赠的未成熟卵子。

第二步，在实验室内，把这个卵子培养18-24小时，直至“养熟”。

第三步，卵子养熟后，用ICSI（卵胞浆内单精子显微注射技术）把携带β-地中海贫血致病基因的精子注射进卵子，这样就形成了一个携带β-地中海贫血致病基因的二倍体胚胎。

第四步，实验室中观察，待二倍体胚胎的雄核和雌核即将融合时，研究人员就往二倍体胚胎中注射CRISPR/Cas9蛋白。CRISPR/Cas9蛋白就是用于基因编辑的“基因剪刀”，事先在实验室合成）。理论上，CRISPR/Cas9蛋白注射进去后，它就像一个指南针一样，可以找到DNA链上的致病基因，并将致病基因敲除，同时修复DNA链。

神奇CRISPR/Cas9蛋白能“剪除”病态基因。

第五步，把进行过基因编辑的胚胎在体外培养（模拟子宫环境）至囊胚，再做全基因组扩增（这个环节胚胎液化为无数基因遗传分子了），以便科研人员分析。

第六步，再进行后续测序分析，看之前基因剪辑的效果。首先做β珠蛋白基因测序分析，就可以看出β珠蛋白基因的修正效率；再进行全基因组测序分析，就可以看出有没有剪错其他基因。

刘见桥团队的这项研究是全球首次将基因编辑技术运用于人类二倍体胚胎，在胚胎层面对携带遗传突变基因的胚胎进行修复，证实了CRISPR基因编辑技术可以让科学家对人类的DNA进行定点改造，为通过改造缺陷基因来治疗遗传疾病提供了可能性，更真实地说明了该技术对于阻断人类致病基因子代传播的潜力。

遗传病：马凡（Marfan）综合征

马凡（Marfan）综合征是一种常染色体显性遗传结缔组织疾病，由FBN1（编码原纤维蛋白1）基因中单个碱基的突变引起。

这种疾病几乎可以影响身体的任何部位，从松弛的关节、弱视到心脏壁上危及生命的裂缝。马凡综合征患者往往四肢、手指、脚趾细长不匀称，身高明显超出常人，肢体过长，拥有异于常人的运动体格，但同时也伴有心血管系统、胸廓发育异常，特别是合并的心脏瓣膜异常和主动脉瘤，猝死率相当高，许多人活到三四十岁就发病死了，因此这一疾病也被称为“巨人杀手”。

马凡综合征的发病率达1/3000～1/5000。中国受累人群就有约25～40万人。

马凡综合征目前尚无特效药救治，主要通过手术纠正病变，但也只能减轻症状，费用昂贵，不能根治。如果父母之中任何一人是纯合突变，就是100%遗传；如果双方都是杂合突变，就是75%遗传；如果只有一方是杂合突变，另一方不是患者，就是50%的遗传。

——怎么对带有马凡综合征致病基因的胚胎进行基因编辑？

第一步、第二步、第三步、第五步和第六步都与编辑携带β-地中海治病基因胚胎的方式类似。唯一不同的是第四步。

在第四步中，采用的是单碱基编辑技术。研究人员往二倍体胚胎中注射的是没有剪刀功能的Cas9蛋白和印章dna，它会像指南针一样找到致病基因，并给致病基因的进行“替换”伪装，从而将其改变为正确基因。

染色剂就是印章DNA。

科研人员发现，用“升级版CRISPR”——单碱基编辑技术，对携带马凡综合征基因的受精卵进行基因编辑，效果很好，并且没有发现错误编辑的现象。

单碱基编辑技术是在CRISPR/Cas9的基础上改造得到的，并不需要对DNA双链进行断裂，可以直接实现突变位点的替换。没有断裂DNA双链，理论上更安全。

实验效果也证实了这一点。研究人员利用验证过的胞嘧啶碱基编辑系统通过显微操作对18个受精卵进行编辑，结果表明修复后的16个胚胎呈现出完全正常的基因型，另外两例胚胎不是完美的修复。而对照组中7个胚胎有4个胚胎是正常基因型，3个胚胎含有50%的致病突变。最后，通过深度测序和全基因组测序，对修复胚胎进行了安全性鉴定，表明没有脱靶的发生，证明了修复的安全性。

伦理审查

事实上，基因编辑技术，不仅在治疗人类疾病上有潜力，在其他生物学领域也有广泛的应用前景。比如，在农业领域，未来可以生产出更高产的作物，更利于保存的产品等。

但是，在人类自己身上应用基因编辑技术，人类慎之又慎。中国有女娲造人的神话，西方也有上帝造人的传说。基因编辑人类胚胎，则变成了人类自己改造自己。因此，即便是还处于实验室阶段，科学界对基因编辑人类胚胎还是十分审慎，必须经过严格的伦理审查。

以刘见桥教授团队进行的基因编辑研究为例，在进行科学研究前，科研人员必须要向科研部门做立项审查，向医院伦理委员会做伦理审查，审查内容包括研究方案内容、技术路线、参与人员、有关患者的知情同意书等。科研人员还需要面对伦理委员会的专家们进行答辩，专家们来自不同专业背景，会从医学、法学、伦理学等多个角度去判断研究是否合规。

行业共识

2017年，人类基因编辑研究委员会正式就人类基因编辑的科学技术、伦理与监管向全世界发布研究报告。报告将人类基因编辑分为基础研究、体细胞、生殖细胞/胚胎基因编辑三大部分，分别就这三方面的科学问题、伦理问题以及监管问题进行了讨论并提出相关原则。

人类基因编辑研究报告提出的科学、伦理与监管基本原则：

（1）基因编辑的基础研究

可以在现有的管理条例框架下进行：包括在实验室对体细胞、干细胞系、人类胚胎的基因组编辑来进行基础科学研究试验。

（2）体细胞基因编辑

利用现有的监管体系来管理人类体细胞基因编辑研究和应用；

限制其临床试验与治疗在疾病与残疾的诊疗与预防范围内；

从其应用的风险和益处来评价安全性与有效性；

在应用前需要广泛征求大众意见。

（3）生殖（可遗传）基因编辑

有令人信服的治疗或者预防严重疾病或严重残疾的目标，并在严格的监管体系下使其应用局限于特殊规范内，允许临床研究试验；

任何可遗传生殖基因组编辑应该在充分的持续反复评估和公众参与条件下进行。

人类基因编辑研究委员会特别就可遗传生殖系统基因编辑提出10条规范标准：

（1）缺乏其他可行治疗办法；

（2）仅限于预防某种严重疾病；

（3）仅限于编辑已经被证实会致病或强烈影响疾病的基因；

（4）仅限于编辑该基因为人口中普遍存在，而且与平常健康相关、无副作用的状态；

（5）具有可信的风险与可能的健康好处的临床前和临床数据；

（6）在临床试验期间对受试者具有持续的严格的监管；

（7）具有全面的、尊重个人自主性的长期多代的随访计划；

（8）和病人隐私相符合的最大程度透明度；

（9）在公众的广泛参与和建议下，持续和反复核查其健康与社会效益以及风险；

（10）可靠的监管机制来防范其治疗重大疾病外的滥用。

统筹：广州日报全媒体文字记者王晓云

采写：广州日报全媒体文字记者林霞虹 通讯员梁凯涛 黄璀玥

长图手绘：广州日报全媒体美术编辑陈希

长图文案：广州日报全媒体美术编辑王晓云

广州日报全媒体编辑 彭姣时