發布日期：2017-09-06

“每個人都應該對他們的基因組進行測序，要了解你自己，理解你自己。”提出這個觀點的是哈佛大學醫學院（Harvard Medical School）與麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的George Church教授。1984年，他開發了世界上第一個基因組直接測序技術，在當年人類基因組計劃（Human Genome Project）的啟動中起到了推動作用；2005年，他又參與發起了個人基因組計劃（Personal Genome Project）。

Church教授是基因組學和生物技術領域全球知名的科學先驅，累積發表了超過400篇學術論文，并擁有95項專利。他的諸多突破性創新也成為了Editas Medicine（基因治療）、 Gen9bio（合成DNA）等知名生物技術新銳的基礎。這些公司正在將這些創新技術應用于醫學診斷、創新療法以及合成生物學中。

在與藥明康德進行的專訪中，Church教授指出，目前有2400項基因療法相關的臨床試驗正在進行中。這些能增加、刪減、或是抑制特定基因的方法，將成為“全新基因組技術生態系統”的有機部分。

藥明康德：Church教授您好，很高興能與您交流。作為應用基因編輯技術的大師，在您看來，基因編輯技術在生物技術的發展歷史上有著怎樣的地位？它的下一個重大突破又會是什么？

George Church教授：哺乳動物的基因編輯從1980年代起步，并不斷進步。說到基因編輯技術，有些人首先想到就是CRISPR。但我認為CRISPR并不是最偉大的基因編輯技術。雖然我參與了CRISPR技術的轉化，但這樣說并不是因為謙虛。

在我看來，真正基因編輯的革命發生在重組DNA技術誕生后不久，遠早于CRISPR技術的問世。這也是Mario R. Capecchi博士和Oliver Smithies博士在2007年獲得諾貝爾獎的原因。那是真正意義上的基因編輯技術。這項先驅性的工作是在小鼠體內完成的。為了讓它能應用到其他的生物里，需要一系列不斷積累的改進，這包括了用歸巢核酸內切酶（meganucleases）、鋅指核酸酶（ZFNs）、TALENs以及CRISPR，產生靶向的雙鏈斷裂。這些都是在Capecchi博士與Smithies博士的工作基礎上做出的穩步提升。現在，這些基因編輯技術基本上能應用到所有的生物中。

“使用胚胎干細胞在小鼠中引入特異性基因修飾的原理”的發明人獲得2007年諾貝爾生理學或醫學獎。（圖片來源：諾貝爾獎官網）

這里頭，真正的突破在于我們在“讀取(read)”和“編寫(write)”DNA上取得的進步。回到你的第二個問題。下一個重大突破會是什么？我認為會是“編寫”DNA，而非“編輯(edit)DNA的能力。這是一系列逐步改變的過程，能帶來巨大的影響，它包括添加基因，刪除基因（或降低基因表達），以及精準編輯。最終，我們能在任何想要的地方，寫入任何你想要的基因。

藥明康德：在您看來，什么疾病最適合采用基因編輯治療？您覺得其中有什么限制嗎？

George Church教授：目前，有大約2400個基因療法獲批進入了臨床試驗，其中大部分療法是增加一個基因，少部分療法涉及到使用RNAi、ZFNs與TALENs對基因功能進行削弱。然而，涉及精準基因編輯的療法幾乎為零。

藥明康德：您怎么定義精準基因編輯？

George Church教授：增加基因時，基因能插入到染色體的任何一個位置。要移除或是下調一個基因，你要么引入一個干擾分子，要么直接攻擊這個基因，把它弄成一團糟。在一定程度上，這也是隨機的。幾乎沒有什么辦法能徹底移除一個基因。

精準基因編輯是指拿走一個胸腺嘧啶，補上一個腺嘌呤這樣的操作，或者是指正好移除4個堿基，不多不少。這才是精準編輯。我相信每個人都做過類似于編輯的工作，或者至少都和編輯打過交道。你不會把“從書中撕下一整頁”這樣的行為稱為編輯，但這就是目前的現狀。當大部分人在談論基因編輯時，他們實際上說的是把基因組弄得一團糟。

藥明康德：那要怎樣才能實現精準編輯呢？

George Church教授：方法倒有不少，但它們的效率要低很多。人們也傾向于完成容易完成的任務，會說“我不想要樹頂上的水果，它可能是酸葡萄。我還是摘接近地面的果子吧”。但如果我們真的能像基因敲除那樣方便地實行精準基因組編輯，我們就會選擇后者。

拿鐮狀細胞貧血來說吧。這是一個簡單的點突變，腺嘌呤（A）變成了胸腺嘧啶（T）。你只需要改正這一個堿基就可以了。但事實上，我們正在不斷繞圈圈。我們會說，也許有一個基因，我們突變掉它以后，能達到同樣的效果。囊性纖維化也同樣如此，主要原因只是少了3個堿基。世界上有數百種疾病，要治療它，只需要把基因恢復到野生型的狀態。我們沒有必要去做基因敲除。

鐮狀細胞貧血是一種遺傳病，由于HBB基因的單核苷酸多態性（A變成T）引起，該基因位于11號染色體（圖片來源：維基百科）

藥明康德：關于基因編輯，最主要的倫理擔憂是什么？

George Church教授：主要還是安全性與有效性，就像許多被美國FDA和歐洲EMA批準的新技術一樣。當然，也有一些臆測的擔憂，比如在幾代后出現的潛在效果，基因的不兼容性，或是選擇后代特征的商業行為。

藥明康德：您能舉一下幾代后出現的潛在效果，以及基因不兼容性的例子嗎？

George Church教授：有言在先，這些都是臆測中的擔憂。這就好像在第一個原子彈引爆前，人們擔心它會與大氣中的氮同位素發生鏈式反應。這當然沒有發生，但人們還是對它有過擔憂。不管怎樣，人們最終還是嘗試了原子彈。

“幾代后才會出現的影響”真的只是一個假設。如果你往前看4代人的生活，他們確實比今天的人們要矮，因為現在的營養更豐富。但我想說，這是因為表觀遺傳學對每代人產生潛在的影響。比如有些突變會隨著代數進行累計，所以我們能進行預測，了解在哪一代人的時候，突變會量變引起質變，帶來亨廷頓病等疾病。

基因不兼容的假說就有點像藥物不兼容。我的岳母要吃高劑量的布洛芬，我去藥店給她拿藥時，發現布洛芬和她正在服用的甲氨喋呤是不兼容的。在遺傳學的水平上，類似的事情也有可能發生。比如果蠅的P-元素在一種果蠅里是無害的，但會在基因組不兼容的果蠅里帶來大量隨機的損傷。

藥明康德：您談到了表觀遺傳學。它在基因編輯中起到了怎樣的作用？

George Church教授：表觀遺傳學在所有的遺傳學中無處不在。一些人會在指代一些神秘的事件時用上表觀遺傳學這個詞，但它實有所指。這是遺傳學運作的方式。在植物中，可遺傳的表觀遺傳學已經得到了很好的研究，也帶來了潛在基因“編輯”的手段。我們知道如何在表觀遺傳學上重編碼哺乳動物的細胞，讓它從一種類型轉變為另一種。這和基因編輯有關，但不是緊密相關。它只是一個你能檢查的環節。

我們應該了解基因編輯可能帶來的所有后果。通常情況下，你需要對表觀遺傳學有了解。舉例來說，如果我改變了一個基因的啟動子，這條基因的表達就會受到影響，表達量就會下調。這都是表觀遺傳學。通過在表觀遺傳因子上做遺傳修飾，你能了解到它的后果。

藥明康德：您對基因編輯的應用持有任何保留意見嗎？

George Church教授：我已經提到了基因編輯在人類臨床上的應用。它還可能在農業或者是野生動物種類上有其他潛在的影響。基因驅動（gene drive）就是這樣一個例子。我在哈佛的課題組是首批公開提到這些影響的人之一，我們也討論了潛在的解決方案，包括生物控制、反向驅動、以及“雛菊驅動”（daisy drives，一種能自我限制的驅動系統）。

基因驅動的分子機制（圖片來源：維基百科）

基因編輯面臨的主要問題是人們想要有掌控權。他們不想讓生物失控跑到野外，自己又無法將它帶回。我們能預見到一個潛在問題是，基于CRISPR基因編輯的驅動方式是不可逆的。因此我們在可逆性和控制性上做了不少工作。我們如何把這些生物控制在實驗室中？或者如果我們要將這些動物放到野外，又要如何確保它們只被限制在島上？我們正在解決這樣的問題。

藥明康德：您能介紹一下雛菊驅動嗎？

George Church教授：這是一種控制的手段。簡單來說，在這個系統里，基因驅動1是基因驅動2所必須的，基因驅動2又是基因驅動3所必須的。當基因驅動3遍布整個島嶼時，基因驅動1和2早就用完了。因此，即便基因驅動的蚊子或小鼠逃到島外，它們也沒有足夠的能力來傳播到整片大陸上。這個手段看起來很像雛菊鏈（編者注：一種環狀的網絡拓撲結構），所以我們就叫它雛菊驅動。

藥明康德：在把基因驅動應用到農業和野生物種上，有足夠的政府監管嗎？

George Church教授：每一個政府都有規定，我認為目前的政策正好。舉例來說，如果你想要在美國釋放野生動物，就需要FDA，EPA(Environmental Protection Agency)，USDA(United States Department of Agriculture)的批準。FDA希望保護動物的福利，USDA希望保護已有的動物，EPA想要確保它不會不受控地生長。這些機構的組合對野生動物的釋放來說是非常有力的。

我認為基因驅動技術還會有改善。但即便“雛菊驅動”能像我們想象那樣運行，依然可能會有動物從一個國家逃到另一個國家。這意味著我們需要用另一層國際化的系統，也意味著我們需要得到全世界所有的國家的批準。舉例來說，由于治療的需求太過嚴峻，聯合國可以獲得所有國家的許可，來使用基因驅動的方法，消滅傳播瘧疾的蚊子。

藥明康德：我們再聊聊基因療法吧，對患者來說，想讓他們理解基因編輯對他們的影響，最大的挑戰是什么？

George Church教授：所有父母都有5%的可能性會生出一個有嚴重遺傳病的孩子，這不限于那些有家族遺傳病的父母。這些疾病的治療費用可能高達2000萬美元。所以我們所有人都應該通過遺傳咨詢，了解我們的DNA信息——單基因測序只要80美元，全基因組測序也只要1000美元——無需對基因進行編輯，就能預防遺傳疾病。像Personal Genetics Education Project這樣的組織正在創造性地幫助人們進行遺傳知識掃盲。

藥明康德：您是說當人們理解自己的遺傳信息后，他們會對遺傳病傳給下一代變得更謹慎嗎？

George Church教授：這就是我想表達的意思。有一些群體通過選擇結婚對象，基本上已經消滅了Tay-Sachs病。要達到這個目的，并不需要嚴格限制你的約會對象或戀愛對象，只是有一小部分的人不會被介紹給你（作為結婚對象）。但這比治療的代價要小多了。診斷Tay-Sachs病的遺傳風險只要80美元，但如果你不幸生了一個Tay-Sachs病的寶寶，就要花幾百萬美元，而且還會給家庭帶來痛苦。目前我們沒有Tay-Sachs病的治愈手段。即便有，它也可能像其他已批準的孤兒藥一樣，要終身接受治療。

藥明康德：談到基因編輯的短期和長期副作用，您最擔心的是什么？

George Church教授：在理想情況下，我們應該在人類的大器官中做實驗，這樣我們就不用讓人來承擔風險。因為脫靶效應是基因組特異的，這樣的實驗是有必要的。

我認為有兩類副作用，一類是脫靶編輯效應，另一類是你能精準地進行編輯，但一些你沒有預料到的復雜生理反應出現了。只要你是把基因變回它的正常狀態，第二種就不大會出現。

所以我認為脫靶效應是最有可能發生的問題。你不能真正預測會發生什么脫靶效應，所以要發現脫靶效應，唯一的辦法就是通過大量的人體試驗。但也不能在大量人體里進行基因編輯，這樣又繞到了雞生蛋和蛋生雞的問題，我們還是要先在人類器官里進行基因編輯。那么，在沒有人的情況下，怎么會有人類器官呢？可以在實驗室生產它們。人造器官可能沒有達到移植手術的標準，但足夠進行臨床前試驗了。這只是我的猜測，不代表一個業界共識。但我覺得你可能需要測試安全性。理想情況下，進入人體前，最好能在人體器官里進行試驗。

藥明康德：再聊聊未來吧。未來5-10年里，基因編輯技術會經歷怎樣的發展？

George Church教授：會是指數式的增長，就像已經在DNA短序列的讀取和編寫能力上發生的那樣。在幾年的時間里，我們已經有了百萬倍的改善。這些讀取和編寫能力對于新的基因組技術“生態系統”來說是關鍵的部分，這個生態系統也包括了基因編輯。

藥明康德：您說到在DNA短序列的讀取和編寫能力在幾年的時間里，已經有了百萬倍的改善。這具體是指什么呢？

George Church教授：這是指下一代測序技術。我們能將人類基因組的測序成本從30億美元降低到1000美元，這是在6年多的時間里實現的。這就是我說的指數級增長。除了讀取短DNA序列外，我們也學會了如何更好地合成短DNA，這比幾年前要容易上百萬倍。這兩者都是通過“molecular multiplexing”技術實現的。這些都是指數級增長的例子。我認為基因組編輯、組裝和編寫的價格變化也會經歷類似的發展曲線。

藥明康德：那您能再說一下基因組技術“生態系統”嗎？

George Church教授：這就像一個充滿技術人員和臨床醫師的群體。我們有基因組技術的生態系統，人們能夠編輯基因組，但不止是編輯基因組。如果你不能讀取基因組，你就不能做編輯。所以這是更簡便的DNA讀取技術、合成技術的組合，能創建大量的文庫。這些現在看來令人驚嘆的基因組工具，會作為下一輪指數級增長的助推燃料。

藥明康德：您認為我們實現了人類基因組計劃的愿景嗎？

George Church教授：首先，我不是那些承諾能帶來治愈方法的人之一。我們課題組專注于改善技術。順便一提，我們還沒有對任何一個人的基因組完成測序。有人說人類從來沒有在月球上登陸，但我認為還是做到了的。但是，我們確實沒有完整地完成人類的基因組測序。我的課題組正在使用全新的方法，這有望讓這成真。

所以答案是肯定的。我認為人類基因組計劃帶來大批技術的應用，而不僅是測了30億堿基對。現在我們能夠反復閱讀基因組數據，診斷疾病，了解基因與疾病的關聯，以及利用基因讀取和編寫技術治病。我認為我們已經實現了這個愿景。現在我們有健康的工業界合作體系。舉例來說，數百萬女性接受了無創產前篩查（NIPT）。幾年前，這個數字還是零。為什么大家不能完全體驗到基因組測序帶來的好處呢？

藥明康德：將基因編輯療法帶給患者，最大的挑戰是什么？

George Church教授：臨床試驗。臨床試驗是昂貴的，基因編輯療法需要資金和時間，才能得到FDA的批準。要在8年里讓新藥上市是很困難的。臨床試驗開始后，就開始治療患者。如果這個藥物的效果特別好，那么有可能第一年就看到治愈的效果。但這并不意味著它能上市。要上市，它還要等上很多年。

藥明康德：您認為這樣的流程會最終改變嗎？

George Church教授：一方面，我認為這個流程應該變得更好，讓我們能盡快地完成臨床試驗。但另一方面，我希望在我們沒準備好前，法律不要改變。總有一些人想要抄近路，走捷徑。2000年，一些基因療法在2項臨床試驗中奪走了3個人的生命，最終導致基因療法的開發出現倒退。我覺得這是因為研究者有點操之過急了。

現在，世界上的大部分國家對基因編輯都很謹慎。我認為要有嚴格的監管，但也要有創新。一旦有了創新，嚴格的監管就能帶來創新的治療和診斷手段。它們應該能表現不錯。

藥明康德：您認為基因編輯生態系統里的新技術，對公眾的理解會是個挑戰嗎？

George Church教授：公眾的理解是一個巨大的挑戰。基因組技術沒有像其他事物一樣抓住人們的注意力，這令人遺憾。人們更喜歡談論明星、體育以及消費品。

盡管風險很高，沒有人真正考慮這個問題。如果你的孩子健康，父母就完全不關心遺傳診斷。這就是沒有人談論基因組技術的原因。但是你要知道，遺傳病孩子的父母需要辭職來照顧孩子，或是募集資金。大多數人覺得這些事情不太會發生在自己身上。如果遺傳病發生概率有5%，每個人都覺得自己屬于另外95%。但是他們怎么能確保呢？不去測一下基因，我們根本就不知道。

所以我們需要像汽車里的安全氣囊這樣的東西。每年全世界依然有一百萬人死于車禍，但很少有人死在帶有安全氣囊的汽車里。如果沒有安全氣囊，車禍中喪生的人會更多。所以即使基因突變非常罕見，但人們對它沒有免疫力，所以就來分析基因組。基因測序現在足夠便宜，我們只需要去做就好了。

藥明康德：那么基因編輯療法的價格會成為患者應用的主要挑戰嗎？

George Church教授：我們所有基因（編者注：指外顯子組）的測序成本降低到了80美元，全基因組測序的成本降到了1000美元。但是基因編輯療法還是以百萬美元計。疾病越罕見，醫療費用就越高。但盡管遺傳疾病對個人而言發生概率很低，但對于群體來說，卻相對很常見。全世界每年有5%的新生兒有缺陷。我相信隨著時間推移，這種情況會發生改變。像基因組測序成本的降低需要時間，現在基因編輯療法還沒有迎來這樣的拐點。所以在當下，價格會是一個問題。

這就是為何遺傳咨詢非常有吸引力，但人們直到生病才會想到醫生。當家族里有人得了疾病，他們才問“基因療法”在哪里。事實上，在生病前，人們就可以用80美元或1000美元去了解基因信息。但是現在的情況是，人們寧可在生病后選擇100萬美元的解決方案，也不愿采用支付得起的方法去避免問題發生。

來源：藥明康德（微信號 WuXiAppTecChina）