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英國(guó)人工授精與胚胎學(xué)管理局(HFEA)批準(zhǔn)了通過(guò)基因編輯修改人類胚胎的申請(qǐng)。該研究將由倫敦的弗朗西斯?克里克研究所(Francis Crick Institute)負(fù)責(zé)開(kāi)展，并將進(jìn)一步促進(jìn)我們對(duì)人類發(fā)育過(guò)程的了解。
這項(xiàng)研究當(dāng)然會(huì)引發(fā)大量爭(zhēng)議，尤其是有些人認(rèn)為，操縱胚胎基因是我們向“設(shè)計(jì)師嬰兒”邁出的*步。這些擔(dān)憂絕不應(yīng)被當(dāng)成耳旁風(fēng)。畢竟，類似這樣的研究絕不會(huì)在人類和其它動(dòng)物身上自然地發(fā)生。
不過(guò)，這種事情在自然界中遠(yuǎn)比你想象得要普遍得多，而且它已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。這一事實(shí)的揭露無(wú)疑是對(duì)生物學(xué)家的一大挑戰(zhàn)。
我們所討論的，是一種名叫CRISPR-Cas的基因編輯技術(shù)，也可以簡(jiǎn)稱為CRISPR。該技術(shù)能夠以相對(duì)快捷、便宜和輕松的方式編輯基因，而這也正是該技術(shù)在近幾年里獲得大量使用的原因。
但CRISPR技術(shù)可不是在實(shí)驗(yàn)室里空想出來(lái)的，而是在單細(xì)胞微生物的進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的。
一連數(shù)十年，CRISPR技術(shù)都未曾引起過(guò)生物學(xué)家的關(guān)注。直到上世紀(jì)80年代末，研究人員才在觀測(cè)大腸桿菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其中一個(gè)細(xì)菌基因的尾端，有一些奇怪的重復(fù)序列。這些序列隨后被命名為Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(即成簇的、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列，簡(jiǎn)稱CRISPRs)。
自然界中也存在基因編輯。
在接下來(lái)幾年內(nèi)，雖然研究人員注意到，這些重復(fù)序列之間總是由一些古怪的間隔區(qū)(spacer)隔開(kāi)，但CRISPR序列的重要性始終是個(gè)謎團(tuán)。
又過(guò)了幾年之后，科學(xué)家終于做出了一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)：這些“間隔區(qū)”之所以看上去很古怪，是因?yàn)樗鼈兏揪筒皇羌?xì)菌自身所有的東西。很多“間隔區(qū)”實(shí)際上是從噬菌體病毒的DNA上“剪下”的小片段。2005年，有三組研究人員各自獨(dú)立地得出了同一個(gè)結(jié)論：CRISPR和相關(guān)基因序列扮演著細(xì)菌免疫系統(tǒng)的角色。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這就是CRISPR的工作原理：細(xì)菌細(xì)胞會(huì)利用與CRISPR重復(fù)序列相關(guān)的基因產(chǎn)生一些特殊的蛋白，名為CRISPR相關(guān)蛋白(CRISPR associated proteins，簡(jiǎn)稱Cas蛋白)。當(dāng)病毒入侵細(xì)菌細(xì)胞之后，這些Cas蛋白便會(huì)結(jié)合到病毒DNA上，從上面“切”下一塊兒來(lái)。然后這一塊病毒DNA會(huì)被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)菌細(xì)胞的基因組中，插入其中，成為一處“間隔區(qū)”。從此之后，細(xì)菌細(xì)胞便會(huì)利用這一間隔區(qū)來(lái)識(shí)別與之對(duì)應(yīng)的病毒，從而更加地打擊病毒入侵。
這些發(fā)現(xiàn)具有重要的意義?；?qū)W家很快便意識(shí)到，CRISPR系統(tǒng)意味著微生物能夠地對(duì)自己的基因組進(jìn)行編輯。這說(shuō)明在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們能研發(fā)出一種全新的基因工程技術(shù)。他們弄清了CRISPR系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制，并在實(shí)驗(yàn)室中成功實(shí)現(xiàn)了這種技術(shù)。正是這項(xiàng)科技突破為HFEA本周宣布的重要消息鋪平了道路。
不過(guò)，究竟是誰(shuí)做出了zui關(guān)鍵的貢獻(xiàn)、將CRISPR變成了一件有用的基因工具呢？人們對(duì)這一問(wèn)題始終爭(zhēng)論不休。這樣的爭(zhēng)議也是難免的，因?yàn)檫@很可能是一件既能享譽(yù)業(yè)界、又能獲利不菲的美事。
大腸桿菌細(xì)胞的每段基因末端都有一段奇怪的重復(fù)序列。
不過(guò)，除了這些非常重要的實(shí)際應(yīng)用之外，CRISPR還有另一點(diǎn)值得推敲的地方：CRISPR的發(fā)現(xiàn)究竟會(huì)對(duì)進(jìn)化生物學(xué)起到怎樣的影響呢？為這一發(fā)現(xiàn)感到激動(dòng)的不僅僅是基因?qū)W家，還有生物學(xué)家，而我們有時(shí)候會(huì)忽略掉這一點(diǎn)。生物學(xué)家意識(shí)到，CRISPR說(shuō)明人類和細(xì)菌抵抗感染的方式之間存在著令人意想不到的相似之處。
我們?cè)缇椭溃祟惷庖呦到y(tǒng)的一部分會(huì)去“了解”之前見(jiàn)過(guò)的病原體，從而適應(yīng)該病原體，并在將來(lái)更好地抵抗感染。人們也曾一度認(rèn)為只有脊椎動(dòng)物才擁有如此復(fù)雜精細(xì)的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。但在發(fā)現(xiàn)了CRISPR之后，人們意識(shí)到，有些細(xì)菌似乎也有著自己的一套免疫方法。
事實(shí)上，很多細(xì)菌都有自己的免疫系統(tǒng)。按照的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，大約40%的細(xì)菌都有CRISPR適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。而在古細(xì)胞中(一類重要的單細(xì)胞微生物)，CRISPR系統(tǒng)更加普遍，約90%的古細(xì)胞都有這一系統(tǒng)。如果該系統(tǒng)在近日的細(xì)菌細(xì)胞中已經(jīng)如此普遍，那么它一定已經(jīng)有數(shù)百萬(wàn)年、甚至數(shù)十億年的歷史了。“它顯然已經(jīng)存在了一定時(shí)間了。”肯特大學(xué)的達(dá)倫?格里芬(Darren Griffin)說(shuō)道。
這說(shuō)明動(dòng)物體內(nèi)的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)并不像我們所想的那么*。而且CRISPR有一個(gè)特點(diǎn)，使得它比我們的免疫系統(tǒng)還要出色—— CRISPR系統(tǒng)是可以遺傳的。
我們被病原體感染之后，免疫系統(tǒng)會(huì)從這次經(jīng)歷中“學(xué)習(xí)”相關(guān)知識(shí)，讓我們下次與其交戰(zhàn)時(shí)，可以更加自如地應(yīng)對(duì)。這也是疫苗之所以如此的原因：因?yàn)樗认蛭覀凅w內(nèi)輸送降低了毒性的病原體，即提前對(duì)免疫系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。但你的子女可無(wú)法從中獲益，他們必須自己經(jīng)歷感染、或是接種疫苗，才能獲取對(duì)抗病原體的*手經(jīng)驗(yàn)。
而CRISPR系統(tǒng)則不是這樣。當(dāng)有著CRISPR系統(tǒng)的微生物受到病毒攻擊時(shí)，此次攻擊的記錄就會(huì)以新的“間隔區(qū)”的形式，存儲(chǔ)到微生物的DNA中去。當(dāng)這個(gè)細(xì)胞分裂成子細(xì)胞時(shí)，這些信息就會(huì)被自動(dòng)傳輸下去。因此即使這些子細(xì)胞從未見(jiàn)過(guò)對(duì)應(yīng)的病毒，它們也知道如何抵抗它。
長(zhǎng)頸鹿的脖子過(guò)去比現(xiàn)在短得多。
格里芬表示，我們并不清楚為什么CRISPR系統(tǒng)的工作方式看上去比人類的免疫系統(tǒng)，但也許我們的生物復(fù)雜性正是原因所在。“在復(fù)雜的生命體中，任何細(xì)微的基因變化都會(huì)對(duì)整個(gè)生命體造成重大的影響。”微生物也許能不停地編輯自己的基因組、處理基因序列的問(wèn)題，但動(dòng)物可能做不到這一點(diǎn)。
不過(guò)，從生物學(xué)的角度來(lái)看，可遺傳免疫系統(tǒng)可謂是一個(gè)石破天驚的發(fā)現(xiàn)。這意味著有些微生物能夠?qū)⒆约荷薪?jīng)歷過(guò)的環(huán)境編寫(xiě)進(jìn)基因組中，而進(jìn)化生物學(xué)家從未想過(guò)會(huì)發(fā)生這樣的事情。
達(dá)爾文的進(jìn)化論建立在自然選擇的基礎(chǔ)上。有些生物就是能比其它生物更好地適應(yīng)環(huán)境，也更容易存活和繁衍下去，但這主要是因?yàn)?，它們天生就是這樣的。
但在達(dá)爾文之前，其他科學(xué)家曾提出過(guò)一些不同的進(jìn)化機(jī)制。其中有一個(gè)的觀點(diǎn)，是由法國(guó)科學(xué)家拉馬克提出的(Jean-Bapteste Lamarck)。他認(rèn)為生物的一生都在不斷經(jīng)歷變化，根據(jù)從環(huán)境中獲取的經(jīng)歷，做出新的調(diào)整和適應(yīng)，然后將這些改變遺傳給自己的后代。
人們經(jīng)常用長(zhǎng)頸鹿來(lái)證明拉馬克的假說(shuō)。他們認(rèn)為，早在時(shí)代，長(zhǎng)頸鹿的祖先就喜愛(ài)食用樹(shù)頂?shù)娜~片。早期的長(zhǎng)頸鹿脖頸較短，但由于它們一輩子都在努力伸長(zhǎng)脖頸、去夠高處的樹(shù)葉，它們的脖子也就被稍微拉長(zhǎng)了一些。拉馬克表示，關(guān)鍵的一點(diǎn)是，這些稍微被拉長(zhǎng)的脖子會(huì)以某種方式遺傳給自己的后代。而它們的后代也會(huì)伸長(zhǎng)脖子、去夠高處的樹(shù)葉，這樣一來(lái)，它們的脖子也會(huì)被拉長(zhǎng)一些。然后以此類推、不斷繼續(xù)下去。
由于達(dá)爾文的學(xué)說(shuō)獲得了廣泛認(rèn)同，拉馬克的觀點(diǎn)也就不為人知了。但在CRISPR免疫系統(tǒng)的作用下，生物從環(huán)境中獲取的經(jīng)驗(yàn)會(huì)隨之遺傳給下一代，因此該系統(tǒng)屬于為數(shù)不多的、貌似遵循了拉馬克的進(jìn)化學(xué)說(shuō)的自然現(xiàn)象之一。
病毒DNA會(huì)攻擊細(xì)菌。
“符合拉馬克理論的進(jìn)化方式的確存在，而且還相當(dāng)常見(jiàn)。這一點(diǎn)無(wú)論是對(duì)于生物學(xué)家、還是對(duì)于外行來(lái)說(shuō)，都很令人大跌眼鏡。”美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health)的尤金?科寧(Eugene Koonin)說(shuō)道。他于2009年和同事一起，對(duì)這一觀點(diǎn)展開(kāi)了研究，并在一篇將于今年晚些時(shí)候發(fā)表的論文中重復(fù)了自己的研究工作。
這并不是說(shuō)拉馬克的進(jìn)化學(xué)說(shuō)又重新時(shí)興起來(lái)了。“拉馬克的其它觀點(diǎn)對(duì)他來(lái)說(shuō)也很重要，比如他認(rèn)為，生物對(duì)的追求是進(jìn)化的關(guān)鍵特征。”科寧說(shuō)道。然而事實(shí)上，沒(méi)有任何現(xiàn)代進(jìn)化生物學(xué)家贊同這一觀點(diǎn)。
但CRISPR系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)依然說(shuō)明，進(jìn)化并不*是達(dá)爾文提出的隨機(jī)自然選擇的結(jié)果。有時(shí)它也會(huì)包含一些拉馬克學(xué)說(shuō)中的觀點(diǎn)，即按照科寧的說(shuō)法，進(jìn)化也會(huì)以“連續(xù)體”(continuum)的方式進(jìn)行。
換句話說(shuō)，CRISPR的科學(xué)影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基因工程實(shí)驗(yàn)室的范圍，是一次革命性的發(fā)現(xiàn)。
