基因编辑使生物研究进入新轨道

2010年代后期，上海一家实验室诞生了八只猕猴。这些猴子刚出生时看起来很正常，但随着时间推移，它们表现出明显的异常。它们比同龄猴更加好动，激素水平也出现异常。帮助调节睡眠的褪黑素分泌紊乱，而应激激素皮质醇则持续保持高水平。更令人担忧的是，这些猴子后来出现了精神疾病的典型症状：长时间呆坐在角落、躲避饲养员，还会把头埋在手里。

这些异常源于一项基因实验。科学家们在这些猴子还是单细胞胚胎时，就用CRISPR基因编辑工具来沉默（即“敲除”）了一个调节生物钟的基因。这个基因的损坏与躁郁症等精神疾病有关，而这类疾病在基因和分子层面一直都很难研究。这些上海猕猴虽然生活得很痛苦，但它们帮助科学家更好地理解了基因如何影响大脑疾病，也为开发治疗药物提供了重要参考。

其实用传统技术也能完成这项研究，但效率非常低。科学家以前使用“基因靶向”技术培育基因敲除动物，需要先把DNA植入干细胞，再把干细胞植入胚胎，仅对小鼠实验就要花一年时间。而用CRISPR只需一个月就能完成同样的工作。“敲入”基因突变的速度也同样快。由于在动物和细胞中进行基因操作变得如此简单快捷，科学家们现在可以在实验室模拟更多疾病，更细致地研究复杂的遗传机制，还能开展更大规模的基因与疾病关联研究。

CRISPR掀起科研热潮

CRISPR虽然还没有在医学和农业领域掀起革命，但它已经改变了科研领域。2013年只有300篇科学论文在摘要中提到CRISPR工具，到2024年这个数字已经接近9000篇。自2012年以来，非营利性DNA试剂库Addgene已经向全球约100个国家的5000个机构提供了超过30万份CRISPR制剂。伦敦弗朗西斯克里克研究所(Francis Crick Institute)的发育生物学家罗宾·洛弗尔-巴奇(Robin Lovell-Badge)说：“获取CRISPR材料就跟研究人员半夜订披萨一样方便。”

对基础生物学感兴趣的科学家们发现，CRISPR是一个能大大节省时间的工具。以研究性别发育的洛弗尔-巴奇博士为例，他在20世纪90年代发现了Y染色体上一个名为SRY的基因，这个基因像开关一样，能让原本会发育成雌性的胚胎转而发育成雄性。不过，直到2010年代CRISPR出现后，他们才真正理解了这个机制。通过对小鼠进行基因敲除实验，他们发现SRY是通过激活一个“增强子”基因来启动另一个名为SOX9的基因，最终促进睾丸发育。

如果敲除了SOX9的激活作用，就会出现携带XY染色体却表现为雌性的个体。这种情况在人类中也会自然发生。科学家们最近研究了一些性特征与染色体性别不符的人的基因组，发现他们的基因突变与洛弗尔-巴奇博士在小鼠实验中制造的突变几乎完全一样。这让这些人明白了自己发育异常的遗传原因。

每个人的基因都有其独特的变异，通常表现为某个碱基被另一个碱基替换。虽然基因组测序可以轻松发现这些变异，但要判断哪些变异是无害的、哪些是有害的却并不容易。近年来，CRISPR加快了这项识别工作。洛弗尔-巴奇博士的同事，克里克研究所的格雷格·芬德利(Greg Findlay)正在用这个工具完成一项宏大任务：研究人类基因组中所有与疾病相关的变异。

芬德利博士表示，仅是研究与疾病相关的基因突变，就需要敲入3000万个DNA变异。他现在使用CRISPR和一种叫做prime editing的新型基因编辑技术，开展大规模、高通量的筛选实验，可以同时在细胞中引入和分析数千个变异。“我们已经从一次只能测试一个基因变异，发展到现在可以同时测试大量变异，目前正在尝试同时分析近10万个变异。”

这些研究成果已经开始解释一些此前难以理解的症状。2024年，芬德利发表论文，分析了抑制肿瘤基因VHL的2268个碱基交换变异，揭示了不同变异如何导致不同类型和程度的肾癌。这种由CRISPR支持的大规模筛选技术未来可能帮助医生通过检查变异来调整治疗方案。

但这项工作的规模仍然很大，即使芬德利博士能够扩大实验规模也是如此。基因组中还有许多未知的部分，这些部分可能含有大量致病变异。此外，同一个基因或不同基因中的多个变异还会相互影响。芬德利说：“我们现在能测试100万个变异，但这与可能存在的100亿个变异相比差距还很大。”

为了提高效率，他打算用人工智能模型来分析数据。他希望通过用已有数据训练模型，让AI能够准确预测未测试变异的影响。谷歌旗下的人工智能公司DeepMind在2023年推出了Alpha Missense模型，专门用于这类预测。以前需要10年才能收集的实验数据，现在借助大规模基因编辑筛选，几个月就能完成。

敲开未来之门

科学家们正在开发更多创新的基因筛选方法。加州非营利研究机构Arc研究所的主任兼联合创始人西尔瓦娜·科纳曼(Silvana Konermann)开创了一种新型CRISPR筛选工具，这种工具能系统地激活基因或增强其活性，也被称为“基因敲高”。这让她可以采用全新的研究方式：不是先改变基因再观察结果，而是先让细胞接触药物或病原体，然后观察哪些基因会影响细胞的反应。

以新冠病毒研究为例，2022年，科纳曼博士和Arc研究所联合创始人帕特里克·徐(Patrick Hsu)开发了一种特殊的CRISPR筛选方法。他们对人类肺细胞进行处理，要么用传统方法敲除基因，要么用新工具增强基因活性。然后用新冠病毒感染这些细胞，找出哪些基因会帮助或抑制病毒。研究发现，那些产生粘蛋白的基因活性增强的细胞，病毒较难感染。这一发现解释了为什么有些人会得重症新冠肺炎，而有些人却能轻松度过：可能是因为某些人的粘蛋白基因天生就比较活跃。

科学家们的下一个研究重点是直接作用于基因，而不是基因产物。当细胞读取基因时会产生RNA链，部分RNA链会变成用于制造蛋白质的mRNA，但大多数RNA分子的功能还不清楚。

科纳曼博士和徐博士开发的一些CRISPR系统可以直接作用于RNA而不是DNA。科学家们正在用这些工具研究RNA分子的作用。很多特殊的RNA与疾病有关，包括躁郁症等精神疾病。如果证实某种RNA可以作为药物靶点，中国东海岸那些经过CRISPR编辑的猕猴就可以派上用场了。