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作者:日本NHK“基因组编辑”采访组

出版社:浙江大学出版社

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基因魔剪:改造生命的新技术

基因魔剪:改造生命的新技术试读:

前言

2015年7月30日,NHK(日本放送协会)电视台的新闻栏目《Close‐Up现代》播出了一期以基因组编辑为题材的节目——《改造“生命”的新技术——基因组编辑最前线》。本书由当时的采访兼制作团队执笔而成。

我们最早产生把基因组编辑作为话题的想法,是在刚刚迈入2014年的时候,那时恰恰是标志着基因组编辑取得重大突破的“CRISPR‐Cas 9”技术的论文发表后约一年。作为刚诞生不久的尖端科技,业界对基因组编辑的评价褒贬尚无定论。因此,我们必须先对这项技术将来是否具备报道价值做出预判,然后才能决定是否要展开深入采访。而要做出准确的预判,显然并不是件容易的事。

我一直在日本文部科学省和农林水产省的记者俱乐部负责科学方面的专业采访。节目制作期间,我在京都放送局担任新闻主管,负责采访指挥,每天都会从分管记者那里接收到京都大学发布的新闻稿,于是天天都有伟大的研究成果被传送到记者俱乐部,其中亦不乏“世界首次”的新发现。然而,并非所有的“世界首次”都具有新闻价值。倘若某项研究成果并不会对人类生活产生影响,也无法引发话题热议,那么就没有必要向社会广而告之了。

2014年2月,有一篇新闻稿引起了我的注意。稿件中称,研究者成功地使用基因组编辑这一最新技术改变了小白鼠的毛色。这既不是“新发现”,也不属于“世界首次”,说白了只不过是对已有成果的“确认”,真是相当平实的新闻稿,自然被别人判断为“缺乏新闻价值”。然而,我却直觉地感到“有什么新的变化正在发生”,于是指示分管记者继续跟进采访并及时汇报。

自此之后,我陆续又接收到多条关于基因组编辑的信息。无论在哪个领域,都有越来越多的研究开始应用基因组编辑技术,甚至传出了它有可能获得诺贝尔奖的传闻。种种消息都让我切身感受到了研究者对该技术的热衷。

据悉,在植物育种学领域,研究者们甚至已经展开了一场关于该如何对待基因组编辑的讨论。对于此类不留痕迹的基因操作技术,研究者们似乎在期待的同时也夹杂着担忧。于是我渐渐开始确信,这项技术将成为数十年难遇的重大发现,它已经推开了一扇通往全新世界的大门。我并非研究者,却也曾为此兴奋得一个劲地在房间里来回踱步。

但与此同时,人类却不得不直面迄今为止从未面临过的重大问题,这样的局面令我感到惶恐不安。人类终于能够对各种生物的基本设计图谱——基因——进行编辑,这岂不是彻底改变了人与自然之间的关系?我们已经迈入了一个能够通过改变人类基因来对人类自身进行操作的时代了吗?

我简单调查了一下媒体通常是如何对基因组编辑进行报道的,结果发现,在科学专业杂志或新闻科技版上,这类报道往往只占据了寥寥数行,而以普通人为受众的信息宣传更是几乎为零,完全不为人所知。

基因组编辑技术毫无疑问将会对社会产生重大影响,但它在推动技术革新的同时却又是如此默默无闻。一种使命感在我心中油然而生:我们应该进行一次深入的采访,以便这项技术被世人正确地接纳。

2014年12月,我们首先在日本关西地区播出了一期25分钟的节目。该节目以“基因组编辑将改变世界”为题,邀请到了广岛大学的山本卓教授来到演播厅参加录制,本书也在卷末刊载了对他的采访。这期节目揭示了基因组编辑技术所潜藏的为人类做出巨大贡献的可能性,同时也敲响了警钟,宣告人类从此进入了能够改变自身受精卵基因的时代。未曾想到,仅仅5个月之后,就有中国的大学发表了对人类受精卵的基因进行编辑的论文,引发了轰动。

2015年7月的《Close‐Up现代》节目播出之后,2016年1、2月间,学术期刊Science将基因组编辑技术评选为年度十大科学突破之首,将其视作最能体现科学界发展和成果的代表。如今,作为最有力的诺贝尔奖候选项目,“基因组编辑”这一词语已经成为媒体的宠儿,渐渐广为人知。可以预见,今后关于基因组编辑的讨论必然会越来越热烈。

本书是一篇纪实报告,目的在于阐明这项令人震惊的技术的概况以及它对我们生活的影响。书中以同等的态度对待基因组编辑的利弊两面,以免助长不必要的焦虑与恐慌。身为执笔人,我的初衷是通过传达这项技术的真相,为其被社会接纳奠定基础。

本书的结构如下:首先,为了通俗易懂地说明基因组编辑到底是一种什么样的技术,介绍了京都大学等研究团队所开展的增加真鲷肌肉量的研究(第一章)。其次,通过将这项技术与基因重组等基因工程学的现有技术进行对比,解说其工作方式,概览基因组编辑技术所带来的冲击(第二章)。然后,以实地采访为基础,揭示基因组编辑技术广为人知的契机——第三代CRISPR‐Cas 9——在美国的普及状态和原因(第三章)。

接下来,为了探讨基因组编辑用于品种改良和医疗领域的可能性,我们对各国的研究开发现状进行了汇总(第四章、第五章)。最后,整理了该技术存在的问题和我们应当知晓的论点,对基因组编辑席卷日本的现状,以及对我们日常生活息息相关的具体影响做了一个总结(第六章)。

为了撰写本书,我们还对节目制作时获得的种种消息分别进行了追加采访,以求尽可能地确保信息的及时性。

我认为,书中所描绘的基因组编辑的可能性及其未来图景,绝非荒唐无稽。今后,一定还会有各种远超我们想象的利用方法被不断创造出来。总有一天我们会开始回顾,世界的面貌和人类的价值观都因基因组编辑及其衍生技术而发生了怎样的改变。希望在未来的教科书里,基因组编辑能被写入历史,成为人类发展与历史的伟大里程碑。不仅如此,对于研究者们是如何当机立断地肩负起责任和使命,消灭本书中所指出的种种隐患的,希望也能被一同记录下来。到那时,基因组编辑作为研究者与全社会齐心协力成就的伟业,一定会被铭刻在科学史之中。

我们所制作的节目以及本书,如果能在其中略尽一份绵薄之力,将是无上的荣幸。N HK广岛放送局新闻主管 松永道隆第一章生物已经开始改变“好像有一种叫作基因组编辑的划时代技术,我们要不要去采访一下呢?”

那是2014年9月,某个忙碌于节目编辑工作的不眠之夜,新闻主管忽然在我们小憩聊天时说了这么一句话。当时,经京都放送局专门负责科学领域的新闻主管牵头,我们组建了一支由N HK京都放送局和大阪放送局的记者、制作人以及导演组成的采访组,并以这个阵容制作了多期报道最新科学成果的节目。从京都放送局到山中伸弥教授任所长的京都大学iPS细胞研究所只有十分钟车程,借助这个地利,我们平时就经常围绕iPS细胞研究等生命科学领域的话题进行采访。但即便如此,大家对“基因组编辑”这一技术却依然感到陌生。

归根到底,所谓的“基因组”到底是什么?

我们就从这一点开始说起吧。

在我们的细胞之中存在着“基因”,正是它决定着“我”这个人类的“设定”——个子是高是矮,发色是黑是黄……通常而言,来自双亲的遗传信息在继承时经过完美融合,才形成了“我”这样一个人,这是不受个人喜好控制的“命中注定”。因此,就算我们再怎么渴望“变成像某某明星那样的美女”,也不可能一夜之间变美。

不止是人类,其他生物如狗、金枪鱼、土豆等,也都是基于继承“双亲”的遗传信息而形成的。说白了,所谓基因,就是一本用于制造我们人类个体的说明书,而某个生物所拥有的全部遗传信息则被称为“基因组”。这也就意味着,基因组通常是不可能发生改变的。然而,基因组编辑这一技术,居然能够通过对基因组进行“编辑”,从而“改变基因所记载的信息”。不仅如此,如今似乎已经产生了纯粹依靠编辑基因信息而诞生的生物……

听到“改变基因所记载的信息”这句话,最先浮现在脑海中的应[1]该就是“基因重组技术”吧。在超市的食品生鲜区,我们也经常能[2]看到写着“基因重组食品”的标签。

于是我向主管请教,基因组编辑和基因重组两者有什么不同,却没有获得明确的答案。当然,区别肯定是有的,主管再三强调,基因组编辑“据说真的是很厉害的技术”,“采访绝对会很有意思,放眼全世界,也还没有几家媒体意识到这项技术的革命性”。

的确,基因重组这个词很耳熟,但我们数得出来的也就只有大豆和玉米,那么基因组编辑是否仅能惠及其他食物?它能够作为基因重组的替代技术,这本身就已极具分量,那么这项技术可否进一步应用于人类呢?

在我眼前,有一位做视频的编辑正忙着对VTR录像进行剪切粘贴,这是字面意义所言的“编辑”。那么,对生物的基因也能像对录像带这样简单地进行编辑吗?对于这个疑问,如果答案确实是“可能”,那么,我们的未来毫无疑问将会因此而产生巨大的变化。在了解科学领域时,人们往往会因为难以看透某项研究所蕴藏的潜力而深切地感受到“伟大”与“可怕”的一体两面性。采访,正是揭示个中真相的最佳捷径。我们就此开始了针对基因组编辑的探访。不存在于自然界的荷兰乳牛

2014年秋天,我们的第一位采访对象是京都大学研究生院农学研究科的木下政人助教。木下助教的小组在农学研究科之中具体的研究方向是“应用生物科学”和“海洋生物功能学”。他的实验室能把青鳉(medaka)等鱼类改造成研究用的实验动物。

实验室位于农学部研究大楼的五楼,在一间大房间中,数名学生正在操作电脑。作为专门研究海洋生物的实验室,屋内还安置了一个游动着各种鱼类的大水槽。我向附近的学生打了声招呼,随即被引荐到了木下助教位于里间的研究室。

木下助教身着粗犷的衬衣和牛仔裤,笑着出来迎接我。在他办公桌边的书架上,书籍一直堆到了天花板。其中有一本书的封面上印着“Medaka”的单词,他告诉我说,最近日语的“メダカ”(发音为medaka,即青鳉)已经逐渐变成世界通用的词语。青鳉的染色体和人类一样,都是XY型,而且几乎每天都会产卵,所以作为实验动物很有价值。再加上它的卵膜是透明的,便于观察生长过程,饲养方法也很简单,可以说优点颇多。

木下助教目前研究的是如何运用基因组编辑技术对鱼类进行品种改良。通过这种方法到底能培育出什么样的鱼类,另外,基因组编辑到底是一种什么样的技术呢?“对生物品种改良而言,基因组编辑是一项极具革命性的技术。”

木下助教以奶牛为例进行了说明。我们每天喝的牛奶都来自“荷兰乳牛”(Holstein)这一牛种。众所周知,荷兰乳牛体形巨大,反应迟钝,性情温和,乳房十分发达,为我们生产了大量的牛奶,是一个伟大的牛种。

然而,身体下方垂着那么大的乳房,荷兰乳牛在理论上绝不可能从奔跑速度极快的肉食动物嘴下逃生。那么,它是如何从自然界残酷的生存竞争之中胜出的?其实这个疑问并不难解答——所谓荷兰乳牛,在自然界中原本并不存在。那么,它是如何诞生的呢?

最开始,人类对野生牛种进行“家畜驯化”,把牛饲养在围栏之中,让产奶量高的牛相互交配。经过漫长岁月的重复交配,终于诞生了荷兰乳牛这一理想的奶牛品种。

不止是奶牛,许多以稳定食物供给为目的的生物品种都是经过类似的重复交配而获得的,比如结穗多的水稻、精肉产出比例高的牲猪。除此之外,犬类的品种也相当繁多,外表、性情、体格以及毛色的区别,都是各种各样的犬只经过杂交而形成的。然而,若是创造新品种,则必须经过数百年的漫长岁月。这还是在杂交顺利的情况下,实际上,我们不一定在每次杂交中都能获得符合预期的品种。基因重组技术的诞生

那么,能不能想办法在较短的时间内改良出理想的品种呢?一种方法就是直接在该生物的基因上“动手脚”。

比如,大米是日本人的主食。除了开发能结出更多稻谷的水稻之外,科学家也进行过各种其他尝试,其中一种手段就是使用突变原(mutagen,化学物质或放射性物质)改变部分基因。据说通过这种方法,科学家曾创造出剩饭在放冷后也不会变硬的水稻品种。

又比如,为了增大人工养殖的牡蛎的体型,研究人员在卵的阶段降低温度或施加压力,增加染色体条数。染色体条数的增加会导致生殖器官的生长停滞,卵巢或精巢萎缩,而节省下来的能量则会被用于增大体型。

如此,在各种技术的反复试错之后,诞生的新技术就是基因重组。基因重组指的是通过引入外部的其他基因(外源基因)来改变生物性状,例如在动物的基因中引入植物基因。通过这项技术,可以把不同生物的基因混合在一起。最近,除了基因重组的大豆和玉米之外,用基因重组技术培育的早熟鲑鱼已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市。

然而在进行品种改良时,就算采用了突变原和基因重组技术,时间仍是个大问题。比如,我们要利用突变原破坏某个特定基因,让它无法起作用。在这种情况下,如果单纯只使用突变原,在数量上万的庞大基因之中,我们根本无法预测遭到破坏的会是哪个部分的基因,想要破坏目标基因,只能依靠偶然。而且在绝大多数情况下,遭到破坏的都是非目标基因,所以研究者们只能不断重复相同的实验。

就算利用基因重组技术,研究者也同样只能在成千上万次的重复实验中静待符合预期的情况出现,观察目标基因是否开始工作。除此之外,别无他法。但在当今时代,研究者们的共同心声是难以忍受如此漫长的实验过程。我们经常在各种采访中听到基层的研究人员抱怨科研经费的申请越来越困难。把数百年的时耗缩短至几年“这种局面之下,新出现的技术就是基因组编辑。它与以往的技术相比,效率非常高。”

话题终于回到了基因组编辑技术上。所谓基因组编辑,简而言之,就是一种“能以迄今为止从未达到的准确率,破坏指定基因”的技术。

生物的基因中含有名为“碱基”的物质,它分为四种类型,通过相互组合来承载信息;细胞中则含有能与碱基相结合的物质。基因组编辑技术就是利用了该物质的这种性质,把能与待编辑基因相结合的物质传递到细胞内,令其与目标基因相结合。

上述被传递到细胞内的物质,还会与另一种能切断基因、起到“剪刀”作用的物质连接到一起。一旦这一物质与待编辑基因进行了结合,“剪刀”就发挥作用,将基因切断。基因被切断的过程即为其破坏机制,有“TALEN”和“CRISPR‐Cas 9”等多种手段可以实现。

与施加作为突变原的化学物质相比,通过这种方法的确能够更准确地破坏基因。比起只能依赖偶然性、根本无法预测实验到底能不能成功,这是非常卓越的进步。木下助教还特别强调,与以往相比,新方法需要消耗的时间有了根本性的缩短。“对于鱼类的改良,如果被动地等待偶然发生,需要花上一百年甚至两百年的时间。但如果使用基因组编辑技术,理论上只需要几年就够了。”

等待整整一百年,这根本就不切实际。而新技术如果使用顺利的话,能将时间缩短到百分之一,把不可能变为可能。用“极大地提高效率”已不足以形容其突破性,这根本就是另一个层次的技术了!控制肌肉含量的基因

话说回来,使用这个基因组编辑技术,到底能培育出什么样的鱼类呢?“我们与医学部的老师合作,将各种病症在青鳉身上重现。比如让青鳉患上帕金森症,以及通过破坏生成血清素(serotonin,一种神经传导物质,被认为具有减轻压力的作用)的基因,培育出患有抑郁症的青鳉,这些都属于研究范畴。”

最近,为了减少哺乳动物作为实验动物的使用量,研究者已经开始将重现了病症的鱼类用于解析疾病机理。有好几种病症的重现研究正在进行——这一趋势本身就是对基因组编辑潜力的最佳注解。“我们正在对真鲷和红鳍东方鲀等品种进行改良。其中针对真鲷的研究取得了显著进展。”

真鲷需要经过3年才能从鱼苗成长为具备繁殖能力的成熟个体,产出后代所需的时间过长,这一缺陷大大阻碍了真鲷养殖产业的发展。对此,研究组正在进行研究,希望培育出成长更快速的真鲷。准确地说,是在幼时就具备生殖能力的真鲷。“我们希望能把通常需要3年的成长期,缩短到6个月左右。”

单纯从数字上看,就是要让真鲷以6倍的速度繁殖。研究所还针对真鲷进行了另一项研究,希望培育出肌肉含量更高的壮硕的真鲷。1000克重的真鲷,可食用肉量只有不足400克,这是因为现在的真鲷体型不够理想,它的内脏和鱼头所占的比例过高。

真鲷属于高档食用鱼。如果能让它的鱼身部分长得更大一些,对于消费者和从事水产养殖的生产者而言,会是个好消息。

对此,木下助教等人将目光投向了某种基因——肌抑素。人们通常所知的肌抑素是一种抑制肌肉成长的蛋白质(基因的名称和蛋白质相同),其作用是防止体内肌肉过度生长,保持适度的肌肉量。一旦肌抑素停止工作,肌细胞的数量就会增加,且每个细胞都会不断增大,身体将发育得超过正常体型。在人类之中,也有所谓的“肌抑素相关肌肉肥大”(myostatin‐related muscle hypertrophy)症状,全世界经确诊的共有100人左右。研究表明,这种体质的人,肌肉量约为普通人的1.5到2倍。

木下助教等人认为,只要人为抑制肌抑素的功能,应该就能培育出体内肌肉含量相对增加、产肉量高的真鲷了。为此,只要将含肌抑素的基因破坏掉就行。据悉,在其他实验室中已经有这样的真鲷诞生了。虽然目前还只是幼鱼,尚且看不出太明显的变化,但木下助教告诉我们,在此基础上的直接目标是将真鲷的肌肉含量提高到1.5倍左右。这已经是非常不错的成果了。“肌肉含量一旦增加,鱼就会显得胖或者变得肥厚。在日本,人们习惯于将真鲷连头带尾食用,所以在装盘时,哪怕鱼的形状略显怪异,都有可能遭到消费者的抵制。但如果做成刺身,应该就能充分利用这项研究成果了。”

暂且抛开接受过基因组编辑的鱼类能否获得消费者认可这个问题不谈,只作为刺身的话,即使外形不那么好看,真鲷就是真鲷,那么有更多的可食用肉量,必然是更好的。

迄今为止的食用鱼类,要么是通过捕捞获得的自然产品,要么是把自然鱼类放到基地养殖生产。就像驯养家畜那样,渐渐培育出符合需求的品种进行养殖,并最终形成兴旺的水产养殖业。

或许,我们正在逐渐掌握控制自然生态系统的能力。人类莫非正在踏足所谓的“神之领域”?

于是我们向木下助教提出了这个问题——基因组编辑,是否会改变世界?“当然会。基因组编辑本身是经过了多年研究才得以实现的技术,但也有赖于研究者对其进行了至关重要的改进,令它易于操作,才让它最终实现普及,那位研究者恐怕能获得诺贝尔奖吧。对我们研究人员而言,基因组编辑技术的意义就是如此重大。”

仅仅依靠想象是无法理解这项技术的本质的。于是,我们决定到木下助教饲养真鲷的近畿大学水产研究所进行采访。眼见为实,这是第一步。在水槽中养殖真鲷

2014年10月,我们驱车前往和歌山近畿大学的水产研究所白滨实验室,我们想要一见的真鲷就饲养在那里。近畿大学一直以来都致力于发展鱼类养殖,尤其是以金枪鱼的人工养殖而闻名,他们成功地实现了在人工设施中从鱼卵到成鱼的完全养殖。2013年,大阪和东京相继出现了能吃到来自近畿大学的金枪鱼的餐厅,据说相当受欢迎。

其实,真鲷和金枪鱼一样,都是近畿大学的研究对象,其研究历史甚至可以追溯到50年前,也就是20世纪60年代前期。多年以来,近畿大学一直在进行加快真鲷成长速度的开发。人工养殖真鲷的出货尺寸通常为每尾重约1~2千克,但自然环境下的真鲷长到这个大小需要花费将近3年的时间。近畿大学选择生长较快的个体进行交配,成功获得了能在一年半之内能长到1千克左右的鱼苗。木下助教解释道,或许正是因为长得快,所以近畿大学的真鲷达到性成熟(特指动物能进行繁殖的状态)的时间也较短,适合用于实验。

离研究所越来越近,大海的景观也逐渐增多。加之天气很好,一路上颇有几分旅游的气氛。视野之中出现了棕色的砖石建筑,水产研究所白滨实验室到了。建筑物的正前方就是一片广阔的洋面,作为研究海洋生物的基地,这也是理所当然的规划吧。

陪同我们进行采访的京都大学木下助教及其研究所的成员已经到达。寒暄之后,从建筑物内走出来一位高个子的男士,他是和木下助教共同进行研究的近畿大学的家户敬太郎教授。人员到齐之后,大家立刻前往饲养真鲷的基地。肌肉含量超高的真鲷到底长什么样呢?

在前进数百米之后,沿着斜坡修建的建筑物映入了眼帘。建筑物的风格出乎意料地简约。踏进入口便是一连串阶梯,两侧还排列着许多水槽,里面饲养着各种鱼类。走上阶梯进入最里面,有一排高约一米的水槽整齐地排列着,许多真鲷在其中局促地游来游去。“并不是所有的鱼都接受过基因组编辑。(接受过基因组编辑的)只有这个水槽里的小家伙和那个水槽里的小家伙。”

我们小心翼翼地靠近了他所指的水槽,观察里面游弋的真鲷。与普通真鲷相比,并不能看出它们在体型上有什么差异。“它们是今年春天才刚孵出来的,还只是小鱼仔。所以光凭肉眼确实看不出太大差别……”

这些真鲷诞生于2014年5月,也就是采访前的半年左右。在受精卵阶段,鱼卵中被注入了用于进行基因组编辑的CRISPR‐Cas 9这一物质。顺利的话,这些真鲷抑制肌肉生长的肌抑素会被破坏,从而获得比普通真鲷更发达的肌肉。■向真鲷的受精卵中注入CRISPR‐Cas 9,进行基因组编辑(照片来源:京都大学研究生院农学研究科木下政人助教)鱼到底有没有变大

不过目前看来,这些鱼似乎并没有长出多少肌肉,大概因为还是小鱼吧,所以体型较小。今天,研究人员需要进行两项工作:先往每一尾鱼的体内埋入用于个体区分的标签,然后从其尾鳍的尖端切下一小部分尾鳍。切下来的尾鳍将在明天用来考察基因组的变化,通过对其进行分析,可以确认肌抑素是否真的已经被破坏。

这些工作是由京都大学和近畿大学的一个联合小组完成的。真鲷被一股脑儿地倒进放了麻醉剂的水槽中,当所有真鲷都转移完毕后,再把这个水槽里的水抽走,以便捞取。这些真鲷密密麻麻地挤在水槽底部仅剩的一层水中,大概是因为麻醉剂的效果,原本很精神的真鲷逐渐变得安静。学生们用装着长柄的网兜把鱼捞上来。

其中也有回过神来在网兜内横冲直撞的真鲷,年纪虽小却很精神呢。捞上来的真鲷被直接放置到操作台上,家户教授先测量它们的体长,然后用专门的机器在其腹部埋入标签。

学生们熟练地读取体长数据,然后切取尾鳍,最后将被切取了尾鳍的真鲷再次放回水中。果然,这些鱼横看竖看也看不出有经过基因组编辑的痕迹。我忍不住跑去询问木下助教:“这些鱼要等到什么时候才能长大?它们现在的体型根本没什么变化啊。”

木下助教给出的回答是,出生后一年左右应该就能看出区别了。我们脑中想象的画面是真鲷全身整体变大,但其实,肌抑素遭到破坏并不会改变体长,只会导致肌细胞的数量增加,同时每个细胞的体积也会增大。所以实际上的效果应该是只有鱼身变得肥圆。

我们再次对真鲷进行了仔细的观察,但还是丝毫没有发现这些鱼有变胖的迹象。在科学领域进行采访的时候,哪怕亲眼看到被称作“世纪大发现”的成果,外行人往往也只会觉得“看不出有什么区别,没什么了不起的嘛”。这一次,我也不由得怀抱着不切实际的期待,总觉得刚出生没多久的真鲷应该就能看出体型差异。

然而,实际情况并没有这么简单。科学研究永远是一步一步突破至下个阶段的。如果拿最开始的状况与最终的结果相对比,必然能感觉到成果斐然;但若将目光投向过程中的相邻阶段,则难以分辨出明显的不同。因此,每当我目击这样的现实,都会再次叹服于由无数微小成果累积而成的所谓科学发展的伟力。

对于真鲷的研究恐怕亦是如此。接受了基因组编辑的第一代真鲷的外观,或许与普通真鲷没什么差别。但经过一代代交配,就有可能出现肉眼可见的区别。那么,我们在这次采访期间是否有机会见识到显而易见的成果呢?对此,我的心中仍留有一丝期待。

无论如何,只要对今天采取的尾鳍进行分析,就能判明肌抑素是否已被破坏。从现阶段开始密切跟踪这项研究,我们应该就能逐步厘清基因组编辑技术的整体概念及其发展潜力了。因此,我们对接下来的采访寄予了厚望。瞬间就能完成的基因组编辑操作

说起来,所谓“对鱼类受精卵进行基因组编辑”到底具体是怎么操作的呢?第二天,我们决定拍摄基因组编辑的工作状态。木下助教为拍摄所准备的是青鳉受精卵——青鳉几乎每天清晨都会产卵,操作所使用的就是当天清晨采取到的受精卵。“研究中最常使用的,应该是青鳉和斑马鱼了。”

木下助教把我们带到密密麻麻摆满了水槽的实验室,其中游着的鱼大多是青鳉。乍一看,这些青鳉都很普通,但其实它们全都接受过不同类型的基因组编辑。目前,研究者正在观察这些个体分别会发生什么样的变化。雌鱼和雄鱼总是被成对放入水槽,每天早晨雌鱼产卵受精后,木下助教再把小小的新鲜受精卵块从水槽中采取出来。“我们一直都是在这儿进行基因组编辑的。”木下助教带我们到另一个小房间,然后他小心翼翼地向一台显微镜内观察,开始进行操作。他向青鳉受精卵内注入用于进行基因组编辑、切断特定基因的物质。这种物质叫作CRISPR‐Cas 9,平时冷冻保存于试管之中,仅在使用时解冻出少量液体。

操作过程出奇简单——用一种玻璃制成的极细的针头将透明的青鳉卵刺破,然后通过针头将CRISPR‐Cas 9注入卵中,仅此而已,短短几分钟时间就能完成。

操纵生物基因的过程竟然如此简单,简直太惊人了!至于操作是否成功,则要等到被当成操作对象的生物诞生后才能知晓。■正在对青鳉的受精卵进行基因组编辑操作的木下助教基因分析的结果

当天,木下助教还给我们看了前一天所拍摄的真鲷的尾鳍基因分析的结果。结果显示——目标基因被破坏的真鲷占全部的50%左右。“比预计的要少啊。”

研究组原本也没指望基因组编辑的准确率能达到百分之百。

在我们看来,往受精卵中注入基因组编辑物质的操作十分简单,但其实也是有讲究的——CRISPR‐Cas 9的注入必须早于受精卵的分裂。鱼卵一旦受精,很快就会开始分裂。从最开始只有一个细胞,逐渐分裂成2个、4个、8个……所以,研究人员必须赶在最初的单细胞阶段就完成基因组编辑才行。倘若基因组编辑是在两个细胞的阶段才完成的,那么就只有其中一个细胞能接受基因组编辑,而另一个细胞必然无法接受操作。我们可以简单地想象成有半边身体经过了基因组编辑,而另外半边则没有。如此一来,就可能导致十分微妙的状态,比如以斑驳的状态呈现基因组编辑的结果。

即使赶在卵细胞开始分裂之前,也就是在单细胞受精卵的状态下进行基因组编辑,也无法确保基因一定能被改变。这是因为基因存在于染色体之中,染色体以两条为一组,很可能只有其中一条成功接受了基因组编辑。不过,就算只有一条染色体接受了基因组编辑,这条鱼还是有可能与另一条同样只有一条染色体接受了基因组编辑的鱼交配,并孕育出两条染色体均接受了基因组编辑的后代。

在实地参观了对鱼类进行基因组编辑的工作现场之后,我们意识到,基因组编辑技术仍然处于不断发展完善的过程之中。变成了1.5倍

到了第二年,也就是2015年春天的时候,接受过基因组编辑的真鲷差不多要满一周岁了。我们再次与木下助教取得了联系。“它们真的都长得很大了哦!整个背部都鼓起来了。”就算隔着电话,我们也能感受到对方的兴奋之情。

第二天,我们收到了木下助教寄来的真鲷照片。照片中,接受过基因组编辑的真鲷与普通真鲷以头部齐平的方式,上下并排横向摆放。与普通真鲷相比,它们背部附近确实厚厚地鼓起,腹部也隐约可见膨胀。

我们再次前往位于和歌山县白滨町的近畿大学水产研究所白滨实验室。当天的工作计划是测定真鲷的体重。来到实验室,我们一眼就看到真鲷们正精神十足地游来游去,当时的鱼仔已经长得相当大了。

经过上次的操作,真鲷体内都已被埋入了标签。根据这些标签,并结合之前取自尾鳍的基因组数据,研究者们可以区分出接受了基因组编辑的真鲷与普通的真鲷,然后再对比两者的体长、厚度及体重,并拍照留存。接受了基因组编辑的真鲷,其“肥胖程度”将会提高。

和上次一样,研究员先把真鲷倒入加了麻醉剂的水槽中。等麻醉剂开始发挥作用,真鲷都变得老实之后,近畿大学的家户教授就用网兜将其捕捞出来,横向放置到专门用于称量体重的工作台上,由研究员读出体重数据。

首先测量的是并未接受基因组编辑的真鲷的体重。“302.5”“347.0”……貌似300克出头就是这个阶段的真鲷的标准重量了。接下来是经过了基因组编辑的真鲷:“364.9”“388.1”“450.6”“527.6”……

它们确实都比普通真鲷要重。读取数据的学生也时不时发出“哇”“厉害了”的惊呼。当被问及“是否预测到了这种程度的结果”之时,对方回答道:“没有啊,虽然从外观来看确实变大了,但我们完全没想到差距能大到这种程度,有点儿惊讶呢。”现场的所有人都很兴奋。

外表区别最明显之处在于腹部的两侧。经过了基因组编辑的真鲷肚皮周围更肥大,横向摆放下的视觉对比十分显著。经过了基因组编辑的真鲷在背部有显著的隆起,和普通真鲷相比,明显给人“胖了一圈”的感觉。无论是体重水平还是外表,都约为普通真鲷的1.5倍。■照片上方是经过基因组编辑的真鲷,与下方的普通真鲷相比,明显偏大(照片来源:京都大学研究生院农学研究科木下政人助教)全新的真鲷“这一次就明显给人很壮实的感觉了。当初我还以为必须繁殖到下一代,肌抑素被破坏的效果才能显现出来呢。利用基因组编辑,居然在第一代就能得到结果,真是太惊人了,效果完全超出预期。”

根据木下助教的介绍,鱼类是从生到死会持续长大的生物。那么从今往后,这些真鲷还能进一步长大到什么程度,最终又会显现出多大的体型差距?又及,现在已是2016年5月,第一世代真鲷的生殖功能也已具备,研究者们取到了它们的精子和卵子。那么第二世代真鲷还会显现出怎样的不同之处?这些都是值得注意的关键点。如果让经过了基因组编辑的真鲷相互交配,就有很大的可能性培育出将肌抑素失效这一特性进一步强化的个体。目前,木下助教等人的研究组正在制订计划,希望能在数年后将这一批出生的产肉量高的真鲷投放市场。

我们亲眼见证了一种“全新真鲷”的诞生——仅仅是对受精卵进行基因组编辑,就能诞生出与亲代具有截然不同特性的后代。

人类到底该如何接受这一事实?经过长达半年的采访,我们不但深深体会到了研究人员的辛苦,同时也对他们的理念感同身受。基因组编辑一定能作为对社会有用的技术而被善加利用。但我们在满怀期待的同时,却也总怀着一种难以言喻的不安。

木下助教进一步向我们强调了这项技术的潜力。“从前完成一项品种改良,至少也需要10年,有时需要20年甚至50年的时间。而采用基因组编辑,像真鲷这样的生物只需要一年就能看到效果。只要从理论上搞清楚‘将这个基因这么改变一下就会出现所希望的形态或特性’,研究者就能立刻将其转化为现实——这就是基因组编辑最惊人的优势。”

针对真鲷的研究在短短一年内就获得了喜人的成果。在有过这样的经历之后,木下教授对于基因组编辑技术的评价也提高了不少。“接下来,我们想要对已经实现人工养殖的河豚,在市场上人气高的金枪鱼、褐石斑鱼和石斑鱼等鱼类进行品种改良。在肌肉含量这方面,真鲷已经很难再有更大的突破了。不过对于比目鱼这类身体扁平的鱼种,通过基因组编辑增加产肉量,应该很快就能实现。”创造“功能鱼”

通过品种改良,不但可以增加鱼的产肉量,将来很可能连口味和营养成分也能改变。“我认为,如果能创造出不但美味,而且还有益于人体健康的鱼种——功能鱼,那就再好不过了。和畜肉相比,鱼肉含有更多的DHA(二十二碳六烯酸)和EPA(二十碳五烯酸)等多元不饱和脂肪酸,一直以来都被认为是有益健康的肉类。那么,我们是不是能创造出可以在体内直接合成多元不饱和脂肪酸的鱼种呢?或者能否创造出含有大量维生素的鱼种呢?”

鱼类原本只能从饵料中吸收多元不饱和脂肪酸,然后蓄积在体内,现在,我们希望它们能自主在体内进行合成。木下助教的想象力还真是无限。这一设想倘若成真,鱼类很有可能变成膳食补充剂的替代品。

科学家们只有坚信某项技术伟大到足以改变人类的未来,并决意朝着认定的目标前进,才能在经历无数次的失败后依然毫不气馁——我在进行科学采访时,脑中常忍不住浮现出这样的念头。针对基因组编辑的研究亦是如此。在当下这个有可能爆发全球性食物短缺危机的时代,如果能接连不断地开发出新的食物来源,无法想象,这对全人类而言,将会是多大的福祉。

今天诞生的这些真鲷,未来还将面对怎样的命运?我们一定会继续关注。第二章基因组编辑的机制解析

在我们制作的介绍基因组编辑的节目中,曾以CG(Computer Graphics,计算机图形)的形式对其机理进行了解说。俗话说得好,“说起来容易做起来难”,仅仅自己理解,与通过节目的播放让观众理解,两者之间存在巨大的鸿沟。到底该如何进行说明,才能解释得通俗易懂?

基因组编辑技术是“能够瞄准某个特定基因,以高于以往数万倍的准确率,实打实地破坏目标DNA(也就是令其功能失效)的技术”。

为了把这个过程用CG表达出来,我们必须对基因组编辑技术进行更为深入的了解。因此,我们决定前往广岛大学,向日本最早开始进行相关研究的山本卓教授求教。山本教授在百忙之中爽快地答应了我们的请求,他挤出时间,从头开始为我们介绍基因组编辑的相关知识。青蛙变白了

来到广岛大学,山本教授把我们带到了一间屋子里。这间被称作“蛙房”的实验室位于广岛大学的综合研究实验楼。明亮的日光灯发出刺目的白光,照射着摆放于柜子上的数个水槽。

水槽中,游动着数只奇异的青蛙。青蛙的背部呈现略偏黄的奶油色,真是名副其实的“白蛙”,而它们位于身体上方的两只眼珠则是如同红宝石一般的鲜红色。在我们碰到水槽外壁时,这些青蛙大概是感觉到了声音和振动,齐刷刷受惊般地游了过来,用鼻尖砰砰地不断撞击起槽壁。八字撇开的双腿,还有那懵懂的表情,真是有些可爱。这种白色的青蛙叫作非洲爪蟾(Xenopus laevis),正是基因组编辑技术使其变成了白色。■通过基因组编辑诞生的白色非洲爪蟾

另一个水槽中饲养着变色之前的原色非洲爪蟾。它们的大小、形状以及外表看起来都与白蛙一模一样,唯独背部的颜色完全不同——绿色的底色上分布着不规则的黑斑,有点像绿色迷彩。它的眼睛是黑色的,只要安静地趴在堆满落叶的池塘底部,就很难被发现。

山本教授解释道,这些白蛙的体内会生成黑色素的基因已在基因组编辑的作用下失效。该基因名为酪氨酸酶(Tyrosinase,同时也是该基因所生成的酶的名称),是生成黑色素必需的基因。酪氨酸酶一旦遭到破坏,青蛙就无法生成黑色素,从而变成白色。然而,精准地单单只破坏目标基因,这在以往是相当困难的事情。若采用传统的改变基因的技术,需要经过成千上万次尝试,然后从中挑选出恰巧只被破坏了酪氨酸酶的个体。

这个过程将耗费研究者难以想象的时间与精力,没有人会真的这么做,所以事实上就等于不可能完成的任务。自然界中也会有极其小的概率诞生白色个体从而成为新闻,但现实中从未有人看到过白色的青蛙。由此可见,这是多么罕见的现象。

然而,基因组编辑将不可能变成了可能。

让操作熟练的学生对10个蛙卵进行基因组编辑操作,基本上就能诞生10只白色的青蛙。瞄准单一基因进行改动,由此成为可能。目前,山本教授等人正以青蛙是否变白为指标,对基因组编辑技术进行改良。白蛙已经成为生命科学领域的最新技术——基因组编辑的划时代性的体现。

在广岛大学,山本教授率领的研究组从很早开始就一直在进行基因组编辑的研究,是该领域的先行者。

山本教授是在2008年初次听闻基因组编辑技术的。从国外的论文上见识到基因组编辑这一技术后,山本教授便立刻被其潜力所吸引,同时也意识到日本在该领域已远远落于人后,不禁有几分焦急。从此,山本教授自费组织研讨会等活动,致力于在日本普及该项技术。“在日本,基因组编辑的普及程度和人们对它的了解还远远不够,和其他国家相比十分落后。虽然有很多人想要使用这项技术,但却不懂得该如何用,也缺乏教授使用这项技术的场所。立志于普及这项技术的几个志愿者团体,不约而同地向其他研究人员发出了邀请。研讨会和讲座大半是自发组织的,几乎全凭热爱驱动。”

对于基因组编辑在日本国内的发展史,山本教授从初期就了如指掌,他真是名副其实的先行者之一。对于基因组编辑的机制,山本教授结合其发展史,向我们娓娓道来。到底什么是“基因组”

虽然在第一章里已经介绍过了什么是基因组,不过还是让我们再对其进行一次回顾吧。

我们人类的身体大约由60兆个细胞构成,其中的每一个细胞都具备细胞核。而在这个细胞核里,容纳着46条染色体,其中有半数——也就是23条——继承自父亲,另外23条则继承自母亲。具体到每一条染色体,则呈现为双螺旋结构的“DNA”。DNA是脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid)的缩写,它记录着人体的遗传信息。自从1953年DNA的双螺旋结构模型被确立之后,基因研究就进入了飞速发展的时期。

DNA由A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)这四种碱基排列而成。其中A与T配对,G与C配对,形成双链(double‐stranded)结构。同时,这些碱基的排列顺序所蕴藏的信息就是基因。据说,人类所拥有的基因数量在两万个左右。

而这些DNA所蕴藏的全部基因信息,统称为基因组(genome)。这个单词源自基因(gene)和染色体(chromosome)的组合。

那么,基因的作用是什么呢?基因是蛋白质的设计图。我们的身体有一大半由蛋白质构成,无论是人类还是其他哺乳动物,甚至植物,都可以说是依赖于蛋白质而存在的。食物的消化过程、细胞之中的各种化学反应,都必须有名为酶的蛋白质的参与才能完成。组成身体并执行运动机能的肌肉以及各种激素,大多数也是蛋白质。

因此可以说,基因全面掌控着生物的身体构造及其基本特征。只要对基因进行操作,就能改变生物的形态和特征。以往的品种改良

人类从远古时代起,就一直在进行着品种改良工作,具体表现为把植物驯化成作物,把动物驯化成家畜,以强化其对人类有利的特征。这种方法要么需要严密规划动植物的交配,要么必须先找到自然产生的突变个体。

随着科学的发展,人类已然知晓基因的基本构造,但实施品种改良的基本思路却并未发生大的改变。虽然从只能依靠自然突变,发展成了可以使用辐射或化学物质人工促进突变,但本质上仍然是依靠偶然找出发生了符合预期变化的个体,然后令其重复交配。■DNA与染色体结构

日本农林水产省下辖的研究组织——农业、食品产业技术综合研究机构(农研机构),拥有一座被称作“伽玛农场”(Gamma Field)的户外实验农场。这座农场位于茨城县常陆大宫市。农场呈圆形,以放置有放射性物质“钴60”的塔为中心,半径为100米。里面栽培了各种植物。植物在生长过程中时刻接受辐射,以促进突变的发生。这个方法虽然传统,但时至今日仍是重要的品种改良手段之一。

有一种名为“黄金20世纪”的梨,就是从对黑斑病(植物的茎、叶、果实等部位出现黑色斑点的病害)这一病症抵抗力相对较弱的“20世纪”梨中选育出来的、耐黑斑病的强化品种。“黄金20世纪”在鸟取县等产地大受好评,栽种面积逐年增加。

然而,“黄金20世纪”的开发耗费了漫长的时光。伽玛农场开始栽种这种梨是在1962年;1981年,在感染了黑斑病的植株中找到了未发病的树枝,这时距离伽玛农场开始栽种这种梨已经过去了19年;利用这一根突变树枝进行重复实验,最终依据《植物新品种保护和种子法》将“黄金20世纪”登记为植物新品种,则是在1991年,这时距离开始栽种已经过去了29年。如此利用突变进行育种,虽然可以在多个地方同时进行,但不管在哪儿都需要等待漫长的年月,耗费大量的精力。基因重组与基因组编辑

听到可以操纵基因的技术,大家脑海中最先浮现的一定是基因重组吧。根据日本厚生劳动省下发的宣传手册中的定义,所谓基因重组,指的是“从生物细胞中提取具备有用性状的基因,组合到植物等生物的细胞基因中去,令其获得新的性状”。简而言之,基因重组是一种能“插入”跨越生物种属的新基因的技术。它出现于20世纪70年代,在发展中逐步应用于实践,取得了诸多成果。

以前,治疗糖尿病的药物胰岛素只能从猪等动物的心脏内提取,在采用了基因重组技术之后,才实现了大规模生产。将人胰岛素的基因组合到大肠杆菌或酵母的基因中,然后进行培养,就能大规模制造出人胰岛素。这为糖尿病的治疗做出了巨大贡献。

基因重组也被应用于某些植物的品种改良领域。大家应该都听说过具备除草剂抗药性的大豆,以及对害虫有抵抗力的玉米。除了利用病毒和细菌之外,也有其他的基因插入方法,比如对于动物,最常用的就是将基因直接注入受精卵中。鱼类中也已经诞生了基因重组的品种,其应用实例正不断增加。在第一章中已有提及,2015年美国食品药品监督管理局批准了通过基因重组的方式促进成长激素分泌,从而实现快速生长的大西洋鲑鱼(Salmo salar)的食用养殖与贩卖。

在日本国内,广为人知的基因重组植物是蓝玫瑰。接下来就以此为例,对基因重组和基因组编辑的区别进行说明。

蓝玫瑰在自然界中原本并不存在。三得利株式会社的研究小组于2004年宣布其使用基因重组技术开发蓝玫瑰,并获得了成功。他们将玫瑰的基因与三色堇生成蓝色素的基因进行融合,制造出了蓝色的玫瑰。但从开始到成功,他们花费了14年时间。据悉,在开发过程中研究人员遇到了各种难题,比如该选择什么基因,该在哪个位置插入。不过,还是让我们先把注意力放在基因之间的融合到底有多困难这一点上吧。

如果把一连串的基因当作排成一列的积木,那么我们首先得搞清楚,蓝色的基因该插到哪里。在操作基因重组技术时,想要往细胞中插入代表蓝色基因的蓝色积木,很可能受到成列的积木排斥而插不进去,也可能无法瞄准插入点,插到了错误的地方,甚至多插了好几个。整个过程不可控,只能大量重复蓝色基因的插入操作,经过几千、几万次的尝试,从中挑选出恰巧符合预期的插入结果。也就是说,基因重组仍然依赖于偶然性,必须耗费漫长的时间和大量的劳动,并非人人都能做到。■基因组编辑与基因重组技术对比

而能让这个过程精准完成的技术,就是基因组编辑。采用基因组编辑,可以把基因正确地插入所瞄准的位点。同样以积木为例对这个过程进行说明。首先,切开基因所瞄准的位点,使其丧失功能;此时,被切开的位点就出现了一个间隙,可以趁机将蓝色基因插进去;被切断的基因会尝试进行修复,从而与蓝色基因融合到一起。结果就是蓝色基因成功实现了插入。

第一章中介绍过的真鲷以及本章所介绍的白色青蛙,都只经历了特定基因被敲除(knock‐out)的过程,而上文中的案例还能引入(knock‐in)新的基因。对基因进行剪切粘贴,这项技术确实是名副其实的对基因进行“编辑”的技术。

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