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是解药还是毒药?基因驱动工程的双面刃难题

  • 人工学术 | 2020-07-15 13:22:18 阅读量:28万+
是解药还是毒药?基因驱动工程的双面刃难题

这世界上有没有一种新技术能让科学界既期待却又如此害怕受伤害呢?有的,答案就是「基因驱动工程」。它能将自身的基因以非常高的机率传给下一代,也就是正常动物只要跟有基因驱动的动物交配,下一代几乎百分百带有基因驱动。而这样的故事情节让人振奋,因为许多传染病因此得到消灭,但当冷静下来仔细思考,这其中隐藏的危机却又令人发颤。电影中的殭尸(zombie)不就是以这样的传播方式来感染正常人吗?只要被殭尸咬上一口,过不久就会变成殭尸。如此迷人却又令人担忧的生物技术,其故事也同样令人着迷。

疟疾,是一种古老疾病,但依旧对人类产生很大的威胁,据估计 2015 年仍有 2.1 亿人感染,造成约 44 万人死亡,如何遏止甚至消灭疟疾,是一项极为艰鉅的任务。与疟疾的角力战争,可以从药物治疗着手。以往主要的药物是奎宁,但由于许多染上疟疾的患者对奎宁产生抗药性,以及奎宁的用药方式複杂使得病人配合度不佳,药效越来越差,因此科学家一直在搜寻替代药物。2015 年中国屠呦呦便是因为发现一种新的治疟疾药物──青蒿素,而获得诺贝尔医学奖;另一种对抗疟疾的方式是控制疟原虫的传播。疟原虫是以疟蚊为传播媒介,如果能更改疟蚊的基因让疟原虫无法在疟蚊体内生存,疟蚊便无从散布疟疾,不就等于消灭疟疾了吗?30 几年前就有科学家提出此概念,但实际操作却有很多问题要克服。

基改蚊的「先天」限制

加州大学尔湾分校的生物学教授 Anthony James 便怀有此想法,但要更改疟蚊的基因并不容易,他花了 20 年才于 2011 年设计出会对疟原虫产生抗体的疟蚊。接着却面临更大的问题,如果把这种抗疟的基改蚊放到大自然里,这种基因很快就会消失不见。原因在于基改蚊数量远少于野生种数量,抗疟基因很快会被群体稀释掉而不见。此外,基改蚊对环境的适应力比较差。在物竞天择下,如今存活在人类生活周遭的每一种蚊子,其所拥有的基因都是随着环境变异演化后的最佳结果,当我们用人为的方式去改变其中一段基因,便会弱化它的生存能力,所以基改蚊一般而言会竞争不过野生蚊子,最后逐渐被淘汰。

是解药还是毒药?基因驱动工程的双面刃难题

图 1. 绿色代表基改蚊子,由于数量的劣势最终会被野生种取代。

基因也有自私型

抗疟基因被群体稀释掉的问题,或许能藉由以量取胜的方式来解决。如果野放够多的基改蚊,那幺几代后所有的蚊子都会有这样的基因。不过据估计通常需 10 倍数量才能达到此目标,也就是如果这个村庄有 10 万只蚊子,就必须野放 100 万只基改蚊才能于数代之后改变族群的基因。想也知道这种方法就算可行,居民也不会接受。

那有没有什幺方法可以让抗疟基因延续下去,却不必野放那幺多基改蚊。科学家注意到生物中存在有一些特别的基因,会让自己传到子代的机率超过 50%,有这种特质的基因称作自私基因(selfish gene)。根据孟德尔遗传定律,父母身上的基因经过减数分裂形成精子或卵子,这个过程使得每个基因都恰好有 50% 的机率可以传到子代,但是自私基因会将同源染色体某个特定位置切断,然后镶入自己的基因,这使得自私基因有超过一半的机会传播给子代,它们是不遵守孟德尔遗传定律的。

2003 年伦敦大学帝国学院的演化生物学家 Austin Burt,想到利用 HEG(homing endonuclease gene)这个自私基因来改变整个族群的基因。HEG 的 H 代表 homing,指的是「endonuclease gene」会自动返航(home),跑到同源染色体的相对位置。Burt 的想法是:首先用基因工程的方法改变 HEG 切割的位置,让它去切一个对宿主很重要的基因,这个步骤叫基因剔除(gene knockout)。而这个被剔除的基因必须具备一个条件:单一基因被剔除时宿主没有生存的问题,但当两个都被剔除时,宿主便无法存活。接着想办法将 HEG 置于减数分裂启动子的控制下,使得宿主产生大量含 HEG 的配偶子,这样带有 2 个 HEG 缺陷基因的子代便会全数死亡。Burt 估计用这种方法只要放出 1% 的蚊子,20 个世代后便能完全消灭整个族群。

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图 2. HEG 插入一段重要的基因之中,造成基因剔除。

基因驱动

这种「刺激有遗传偏差的基因去影响整个族群」的做法就称作「基因驱动」(gene drive)。改变的方法有加入、破坏、或是变更基因。基因驱动理论上有两种设计方向,第一是改变重要的基因,让拥有基因驱动的宿主无法传播疾病;第二是改变性别比例,让子代变成全都是雄性或雌性而无法产生后代。利用 HEG 作为基因的驱动器(drive)的想法很好,但实作却不容易。主要是 HEG 要设计成能切割一个特定的基因很困难,因为自然界HEG有它偏好的切割位置。Burt 花了 8 年的时间,直到 2011 年才和 Nikolai Windbichler 等人成功地改变实验室内含人工合成 HEG 疟蚊的比例。

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图 3. 正常与有基因驱动的蚊子对后代族群基因影响有很大的差别。

之后利用 HEG 设计基因驱动的行动就停滞不前,期间科学家也曾尝试使用其它编辑基因的工具如 ZFN 和 TALEN。这两种方法的确可以比较精确地找到基因的切割位置,只是当把它们做成基因驱动器时,科学家发现这样的驱动器非常不稳定,传播数代后效果就逐渐消失,所以这条路也不通。

这时生化界恰好发生一件大事,2012 年加州柏克莱分校的杜德娜(J. Doudna)和瑞典 Umeå 大学的夏虹缇(E. Charpentier)提出 CRISPR/Cas9 这套能精準切割基因的 DNA 编辑系统(参见 DNA编辑大师 CRISPR/Cas 一文)。简单地说,这套系统是由一段担任嚮导的 RNA 及具切割功能的核酸酶 Cas9 所组成。嚮导功能的 RNA 可以精準地将 Cas9 带往目标位置、对 DNA 进行切割。这套 DNA 编辑系统由于精準、便宜、容易设计等优点,很快就获得各实验室採用,进而全面取代之前的 ZFN 和 TALEN。

以 CRISPR/Cas9 作为基因驱动

CRISPR/Cas9 发表后二年即 2014 年,哈佛的生物学家 Kevin Esvelt 想到如果把这套系统镶嵌入染色体内,那不就是一个完美的基因驱动器吗?因为 Cas9 和导引的 RNA 会精準切割染色体上特定位置,可以依需要进行基因敲入(knock in)或基因剔除。因为被切断的染色体会以 Cas9 和所载送的基因为模板进行修复,最后两条同源染色体都会有预定植入的基因、或缺乏的基因。妙的是这个过程在每一代产生配子时都会发生,因此能够把这个机制不断地传给下一代,而且下一代都会是同型合子(homozygote)。

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图 4. 用基因驱动来进行基因敲入(A)或基因剔除(B)。

基于此概念,加州大学圣地牙哥分校的 Ethan Bier 和 Valentino Gantz 于 2015 年初首先成功的改变果蝇身体的颜色,将果蝇由深棕色变成金黄色。之后他们又与 Anthony James 合作,将 James 之前製造带有抗疟基因的疟蚊加入基因驱动器。实验发现抗疟雄蚊与野生蚊子的后代 99% 都会带有这套基因,不过抗疟雌蚊却仅以略高于 50% 的机率传给子代。

Austin Burt 的研究团队也赶紧抛下 HEG 转而拥抱 CRISPR/Cas9。同样于 2015 年与 Andrew Hammond 等人共同发表研究成果。他们採用的是帮疟蚊节育的方式,利用 Cas9 去切除雌蚊某隐形基因,让雌蚊不孕。经过实验这样的基因驱动有 91~99% 的机率传给下一代,理论上能够逐渐降低疟蚊的数量。

基因驱动工程的双面刃

但所有的创新与研发都有其隐而未现的问题,基因驱动工程也不例外,它漂亮的数据令生物学家大感兴奋,同时却也让他们忧心忡忡。它有可能发生下列几种状况:

1. 基因外流(gene flow):更改的基因可能从 A 族群通过交配流到 B 族群,造成 B 族群的基因也被改变。另一种更可怕的外流是从 A 物种通过杂交,把基因传到相近的 B 物种。

2. 族群灭绝:基因驱动有能力改变族群性别比例,如产生全是雄性或雌性的后代,这样便有可能消灭整个族群。

3. 基因突变:基因驱动器本身也可能产生突变,这种突变后的基因并不是我们原来想要的,但却会传播出去造成未知的伤害。

4. 生态改变:由于製造含基因驱动的物种并不困难,一些小实验室就有能力完成,如果没有严谨管控未来可能会对全球的农业、健康、和保育造成很大伤害。

有鉴于此,2015 年 7 月全球 27 位权威学者共聚一堂,如前述的 Ethan Bier、Austin Burt、Kevin Esvelt、Valentino Gantz、Anthony James 等,一起讨论如何控管实验室里含有基因驱动的基改物种。最后他们从分子、生态、生殖、及环境屏障方面作出建议,这些方法有:

1. 将基因驱动器的各个关键元素分别放在不同的动物上,只有实验时才把他们放在一起,或是令驱动器去切除野生种没有的 DNA 序列。这样万一实验动物逃出去也不能改变野生族群。

2. 只在没有野生种的地方做实验,例如在寒带区域做热带动物的实验,这样实验动物即使逃走也找不到对象交配。

3. 为每一种基因驱动器做反驱动器(a reversal drive)。万一带有基因驱动的基改动物造成危害时,马上释放含有反基因驱动的动物来中和。

4. 製造基因驱动的疫苗,让尚未被传染的野生物种可以对此驱动器免疫。

5. 加强基因驱动的特异性,避免基因外流造成对相近物种的危害。

防患于未然

世上有太多疾病是藉由蚊子传染,除了疟疾外还有曲弓热(chikungunya)、黄热病、西尼罗热、登革热等等。如果我们能够控制这些蚊子,就能大幅降低这些疾病的危害,因为这些疾病要再找到新的宿主不是那幺容易。不过由于基因驱动的能力太大,所以虽然科学家已经在 2015 年就製造出能抑制疟蚊数量或抗疟原虫的蚊子,却迟迟不敢释放到野外,因为会引起什幺效果没有人知道,一旦有严重副作用将会是全球性的灾难。

澳洲的生态学家 Ron Thresher 曾想用这项技术来消灭入侵澳洲河流的欧洲鲤鱼,为此他拜访了很多学者包括生态学家、环境学家、原住民、童子军等等。每个人都问一个同样的问题:万一有条带基因驱动的欧洲鲤鱼跑回欧洲怎幺办?理论上只要一条这样的鱼跑回欧洲,欧洲鲤鱼就会灭种,因此科学家不敢轻举妄动。美国 FDA 正在针对基因驱动这个问题研究讨论。台湾也应推广这方面的知识让政客及民众了解,如此才能凝聚共识,针对基因驱动的基改物种立法规範,并儘早防範。应当切记生物无国界,一旦在别的国家发生基改浩劫,台湾无法倖免于难,现在的登革热疫情和兹卡病毒便是活生生的例子。




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