基因可编程!疾病不再可怕 遗传病可轻松解决
2016-11-15 08:56:11   来源:中国科技网
内容摘要
CRISPR(基因剪刀)技术就像一把手术刀,可直接作用于DNA错误的部位。这一发明使艾滋病等重大疾病变得不再可怕,而一些遗传病,例如肥胖、少白头等病症也可用这种技术轻松治愈。

CRISPR(基因剪刀)技术可根据基因错误的位置进行修改,并曾在2015年被评为全球科学界的“年度头号突破”。

你是否设想过,艾滋病、癌症可以被根治,秃头、肥胖等“不完美”可以轻松摆脱,甚至有一天,人类真的可以返老还童?来自斯坦福大学的教授Lei Stanley Qi(亓磊)发表演讲,向人们展示了基因编程技术的美好前景。

最近几年,一项被称为CRISPR(基因剪刀)的前沿技术备受关注,它是生物工程师眼中攻克疑难疾病的希望。简单来说,基因剪刀技术有两大功能,一个是GPS定位,另一个则像一把DNA的分子手术刀,精准剪切人体基因的某个位置。这与计算机编程的流程相似,我们可以“插入”一个基因,“删除”一个基因,或是“修改”一个错误的基因。

如果人类实现上述这样的“生命编程”,那么,很多疾病将不再让人谈虎色变。

基因编程可精准剪切人体基因错误位置 科技世界网


以艾滋病为例,主要原因在于HIV病毒感染人的免疫系统,并且长时间潜伏造成免疫系统的缺失。目前,治疗艾滋病的主要方式是通过控制HIV传播,延缓HIV的发作,治疗成本非常昂贵,而且并不能从根本上消灭HIV。

根据麻省理工大学医学院的研究,生命编程方式有望根治HIV,即利用基因剪刀技术将造成艾滋病的HIV病毒序列从细胞基因组里删除掉,从而让HIV病毒从病人体内永久消失。有了这样的基因利器,艾滋病的威胁将不复存在。

然而,亓磊在研究时发现,CRISPR基因剪刀虽然强大,但有时也会犯错,而一旦这种错误发生在人体的生殖细胞里,还会传给后代,形成新的遗传病,并且很难逆转。

于是,他们发明了一种新技术叫做CRISPRi(基因开关),去除了剪刀功能,不会对DNA造成任何损伤,但保留GPS功能,能精准定位某个基因的位置,再通过改变基因表达方式来加以修复。相对柔和的基因修复模式,也能让一些造成疾病的风险性基因从病人体内消失,从而避免糖尿病、癌症、乙肝、艾滋病的困扰。

爱美之心人皆有之,越来越多的现代人却深受肥胖、秃头、少白头等遗传缺陷的折磨。亓磊解释,这实际上是遗传DNA发生了错误,可以通过基因修复来轻松解决。目前,生物工程师正在使用基因编程工具,为多种遗传病寻找解决方案。


科普:“DNA编程语言”可让普通人改造细胞功能 

    只需编写几行代码,普通人便可轻松改造细胞功能——这一科幻小说般的设想如今成为现实。美国麻省理工学院的生物工程师们日前宣布,他们发明了一种编程语言,可迅速设计出复杂的DNA(脱氧核糖核酸)“生物电路”,从而赋予活细胞新的功能。

  主要研究者之一、麻省理工学院生物工程教授克里斯托弗·沃伊特介绍说,利用这一编程语言,就像在电脑中写代码一样,代码转换成的DNA序列被置入细胞内,生物电路就开始在细胞内运行。

  目前这一编程语言已被用作优化大肠杆菌功能,其应用前景还包括设计在检测出肿瘤时会产生抗癌药物的细菌细胞;或创造出一种酵母细胞,可在有毒副产品过度堆积的情况下自动停止发酵过程等。

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    这种编程语言的神奇之处在于并不需要用户具有基因工程相关专业背景。沃伊特说,甚至一个高中生都可登录他们的网络服务器编写程序,生成具备特定功能的DNA序列。未来,研究人员计划在互联网上开放用户设计界面。

  这一发明其实是运用了“合成生物学”的思路,即利用计算机工作原理,将细菌作为硬件,基因作为软件,来组装成一个人工的全新生物体。

  据介绍,这一编程语言基于一种在设计集成电路时常用的硬件描述语言Verilog。为开发出适用于细胞的语言版本,研究人员设计出了能执行相当于逻辑门、传感器等功能的DNA序列。其中,生物传感器可检测出氧气、葡萄糖等物质,以及光、温度、酸性等环境条件。

  目前,研究人员已利用这一编程语言设计了60种功能各异的生物电路,其中有45种都在首次测试时正常运作,大部分生物电路都用于测量一种或多种环境条件,如氧气或葡萄糖浓度,并作出相应反应。

  这一研究成果已发表在最新一期美国《科学》杂志上。


基因“编程”狙击绝症

  基因黑客创新编程

  早在2000年科学家就已经基本完成了对人类基因组草图的绘制,但是在此之后十几年间对于这些基因的功能作用的研究却进展缓慢,没有取得太多的突破。其中最重要的原因在于,过去进行基因编辑的技术过程既复杂又昂贵。2012年,美国加州大学伯克利分校的杜德纳和德国亥姆霍兹传染研究中心的卡彭特借鉴细菌中被称为CRISPR-Cas9的抗体机制,创造了修改细胞核基因信息的简单方法。这使得人类在基因领域的研究大大提速了。2013年1月,科学家用这项技术首次成功对人类细胞的特定基因进行了定向编辑。

  尽管和大多数基因技术一样,基因编辑技术面临许多伦理方面的质疑,但是这一技术的突破对于医学界仍然意义重大。这一技术或许将成为许多绝症的终结者,通过剪除和替换某些缺陷基因,从而缓解乃至治愈某些重大疾病。这项技术发明不到3年,已经取得令人惊讶的成果。

  在2015年4月,中国科学家则利用基因编辑技术成功修改人类胚胎的一个基因,阻止这一基因上的突变导致地中海贫血症。11月,美国加州大学科学家利用基因编辑技术成功培育出了一种疟蚊品系,能够通过后代将一些疟疾阻断基因快速导入蚊子种群,最终消灭这种昆虫向人类传播疟疾的能力。而哈佛大学研究人员则利用基因编辑技术一次性敲除猪细胞中62个逆转录病毒基因,从而扫清猪器官用于人体移植的重大难关,为全世界需要器官移植的上百万病人带来希望。

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    医疗应用狙击绝症

  实际上,基因编辑技术已经开始走出实验室,正式进入到医疗领域了。

  2014年3月,美国宾夕法尼亚大学的一个研究团队撰写文章称,他们利用基因编辑技术,对从12名艾滋病病毒感染者体内提取的未被感染的T细胞的CCR5基因进行了改造。这些细胞注回感染者体内后会维持一段时间,即使不服药也能让艾滋病病毒无法通过其合成的CCR5蛋白质受体进入这些细胞。这一成果是免于终身使用抗逆转录病毒药物、促使“功能性治愈”艾滋病的一项重大突破。

  2015年11月,伦敦儿童健康研究所的科学家Waseem Qasim对外宣布,他们利用基因编辑技术成功缓解了一名1岁女童的急性淋巴细胞性白血病。这名叫做Layla的儿童在3个月大时被检查患有白血病,但是在经过放化疗以及骨髓移植之后病情并未好转,她的父母决定尝试基因编辑疗法,此前这种方法只在实验室小白鼠身上实施过。科学家们首先在捐赠的血液细胞中添加抗白血病基因,这些基因可编码靶向并杀死癌细胞的蛋白质,其次科学家利用这一技术关闭了两个基因,确保捐赠的细胞不被Layla的身体排斥和被治疗药物杀死。科学家将5000万个基因编辑过的细胞注入Layla体内,这些细胞在Layla体内花了三个月的时间来寻找并杀死白血病细胞。在经过数月治疗之后,检查发现Layla体内的癌细胞已被完全消除。


把基因重新编程的心脏细胞作为临时起博器

    根据《科学·转化医学》上报告的在猪体内进行的一项研究,改变心肌细胞的基因,以使它们能够调节心率,可能代替植入的电子起博器。

    如果证明其在人体中可以工作,这种“生物起博器”方法就可能在需要电子起博器而不能得到安装的那些病例中应用。这种情况包括安装起博器之后发生危及生命的感染,而暂时需要移除起博器的成年人,或患有常常导致死胎的先天性心脏传导阻滞的胎儿。

    位于加州洛杉矶市的希达-西奈心脏研究所所长、该项研究论文的共同作者爱德华多·马朋(Eduardo Marbán)说:“这项开发,预示着一个基因疗法新时代的到来,基因不仅被应用于纠正缺陷性疾病,而且实际上可把一类细胞转变为治疗疾病的另一类细胞。”

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    电子起博器,一种10亿美元的产业。该装置被植入人体与心脏相连接,用以监控心脏博动的节律。如果心脏跳得太慢或停博一次,该装置通过发送电脉冲来进行调控。不安装起博器硬件的健康心脏,则是依赖处在心脏的一个微小区域称为窦房结(SAN)内天生的起博细胞行使这种功能。窦房结所起的作用像一个保持心脏每分钟博动60―90次的节拍器。窦房结功能丧失的人,心跳节律就会异常。

    马朋和同事们,把通常不参与启动心跳的微小区域的心脏组织转变为一群能调节心率的起博细胞。为了实现这一壮举,研究者们把一个称为TBX18基因――它表达一种能使心脏保持博动节律的蛋白质――注入已知患有心脏传导完全阻滞疾病猪的心脏。马朋解释说:“治疗前,这些猪的心率异常地低,每分钟仅在50次左右。”

    然而,把这种基因注入猪的心脏组织中,使一些心肌细胞转变为窦房结细胞。马朋说:“实质是,我们在心脏的一部分内创建了一个新的窦房结,它通常地传播电脉冲,但这些电脉冲则不是由其产生的。”

    这种方法,使这些病猪的心率增加到每分钟70-90次的正常范围。这个结果不需要起博器,并可持续地保护2个星期。

    马朋解释说:“我们设计了一个为期2周的治疗方案,在受感染的置有心脏起博器患者中,模拟一个连接到新装置的临床状况。”

    马朋在电话会议上表示,这种技术的影响可能会持续更长的时间。他说:“经过14天之后,其疗效呈小幅度地下降,但基于我们在实验室中所看到的,我们没有任何理由认为这2周的时间点是不可逾越的。”

    他继续说:“下一步,是要进行长期的安全性和有效性研究,以使我们可以进展到首次的人体试验。”

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