基因黑客張鋒！講述CRISPR背後不為人知的故事

《紐約客》長文記錄了強大的基因編輯工具CRISPR，並講述了華人生物學家張鋒，以及基因編輯技術的歷史、科學、專利爭議和倫理紛爭等不為人知的故事。

134歲的張鋒是哈佛-麻省理工布羅德研究所（Broad Institute of Harvard and M.I.T）最年輕的核心成員，也是成就最大的人之一。1999年，張鋒還在得梅因市上高中時，就已經找到了一個能夠防止逆轉錄病毒（如HIV）感染人體的結構蛋白。這個蛋白讓他贏得了英特爾科學獎（Intel Science Talent Search）的三等獎，並獲得5.5萬美金的獎勵。他用這筆錢作為學費，完成了哈佛大學的學業。在哈佛，他學習了化學和物理學。2009年，他從史丹佛大學獲得博士學位時，已經轉換了方向，幫助創立了光遺傳學（機器之心曾編譯過《紐約客》對光遺傳學的萬字介紹，其中也有相當篇幅提到張鋒的工作），這是一個強大的新學科，允許科學家用光來研究單個神經元的行為。 [caption id="attachment_6684" align="aligncenter" width="869"] CRISPR強大的基因編輯能力將為醫療行業開啟一扇全新的大門。圖/Todd St. John[/caption] 張鋒決定成為一名生物工程師，想要創造出修復破損基因的工具，而這些破損的基因正是導致人類諸多棘手疾病的罪魁禍首。接下來的一年，他作為學者學會（Society of Fellows）的一員，回到了哈佛大學，成為了首位使用類轉錄啟用因子效應物（TALE）的蛋白模組來控制哺乳動物基因的科學家。TALE可以替代轉錄啟用因子樣效應器。關於TALE，一名分子生物學家曾寫道：「想象一下，假如你能操控DNA上的某個特定區域……幾乎就像改錯字一樣簡單。」接著，他總結道，儘管這種進展「有可能永遠不會發生」，但是這種新技術已經是目前科學家所能做到的極致了。 29歲時，張鋒受邀到哈佛布羅德研究所組建自己的實驗室，那時他已經給全球數千個實驗室都在使用的基因工具箱貢獻了兩個關鍵的元件。他到來的第二天，就參加了一次會議，會上有人提到在某些細菌的DNA上發現了一個被稱為CRISPR序列的奇特序列。 「我當時從來沒聽過這個詞，所以我去google了一下。」張鋒說。當時我們在張鋒的辦公室聊天，從辦公室窗戶望出去能看到查爾斯河和燈塔山。張鋒留著個西瓜頭，方形的金屬框眼鏡把他的臉襯得更圓，張鋒把能找到的所有論文都讀了一遍，5年後，他依然驚訝於當時找到的東西。他發現，CRISPR是一串奇妙的DNA序列，能夠識別出入侵的病毒，然後派出一種特殊的酶把病毒切成碎片，並用病毒剩下的殘渣形成一種初級免疫系統。這段序列是一串從正反兩個方向讀都排列都相同的核苷酸序列，很像摩爾斯電碼，一系列短線被偶然出現的點分隔開。這個系統有個拗口的名字：短迴文重複序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats），但縮寫CRISPR卻很好記。 [caption id="attachment_6697" align="aligncenter" width="1348"] 張鋒[/caption] CRISPR有兩個組成部分。第一個部分從本質上說是一個剪下DNA的「手術刀 」。另一個部分由RNA（基因組中傳遞生物資訊時最常用的分子）組成，它像一個嚮導，指導著「手術刀」在成千上萬的基因中搜尋，直到「手術刀」精確定位到它需要剪下和修復的那段核核苷酸序列。19世紀，路易·巴斯德（ Louis Pasteur）對進行了一系列微生物病理實驗，從那時起，人們就清楚地知道人類等脊椎動物具有適應新威脅的能力。但是，很少有科學家意識到，單個細菌細胞也有可能採用同樣的方法，抵禦外來侵略。張鋒聽說 CRISPR的第二天便飛往佛羅里達參加一個基因學術會議。他並沒有出席會議，而是在酒店裡不停地用Google搜尋相關資訊。他說：「我就那麼坐著，讀了我能找到的所有關於 CRISPR的論文，我越讀越興奮。」 沒過多久，張鋒和其他科學家便意識到，如果大自然能把這些分子變成基因界的「全球定位系統」，那我們也同樣可以。研究者很快學會了如何合成嚮導RNA，並對它們進行編碼，以便將其運運送到每個細胞中去。一旦酶鎖定匹配的DNA序列，它就能精確地剪下和貼上核苷酸，其精確度幾乎與word中的「查詢替換」功能相當。張鋒告訴我：「這個發現太重要了，簡直令人難以置信。它開啟了一系列會改變基因研究的新實驗。」 有了 CRISPR，科學家就能改變、刪除和替換任何動物身上的基因，包括人類。在小鼠身上，研究者已經使用這個工具修正了一些致病的基因錯誤，例如鐮狀細胞性貧血、肌肉萎縮症以及與囊性纖維化的基因缺陷。有團隊用它替換掉了引發白內障的變異；還有團隊用它破壞了HIV用來滲入免疫系統的受體。

（以下視訊是 CRISPR-Cas9技術的原理介紹，由張鋒親自參與制作。字幕由機器之心翻譯出品）

<embed> 同樣，CRISPR為生物圈帶來的潛在影響也極為深遠。去年，中國基因學家高彩霞帶領的團隊刪除了一個小麥基因的3種複製版本，從而創造出了完全抗白粉病的植株，而白粉病正是全世界最普遍的枯萎病之一。9月，日本科學家用這個技術關閉了控制蕃茄成熟速度的基因，從而延長了蕃茄的壽命。農業研究者希望，這種提高產量的方法不要像轉基因生物那樣備受爭議，轉基因則是需要將外來DNA插入我們所吃的許多食物的基因中。 該技術還讓人們能以一種全新的方式來研究複雜的疾病。在眾所周知的疾病中，只有少數是由單個基因缺陷所引起的，例如亨丁頓舞蹈症和鐮狀細胞性貧血。而絕大多數極具破壞性的疾病，大都是由數百個基因的不斷動態變化而引發，例如糖尿病、自閉症、阿茲海默症和癌症。理解這些聯絡的最佳方法就是在在動物模型身上進行測試，這種試錯過程會花費很多年的時間。而CRISPR則可確保該過程更簡單，更精確，且以指數級的速度進行。 不可避免地，該技術也會讓科學家糾正人類胚胎中的基因缺陷。雖然，任何一點改變都會影響整個基因組並最終遺傳給子孫後代。通過這項技術，我們極有可能完成祖先未盡的事業：科學家重寫生命基礎程式碼以及影響後代的基因序列。對「充滿人造人的反烏托邦世界的未知恐懼」長久以來成為批判科學進步的標準論調。然而並不是因為J. Robert Oppenheimer意識到他原本發明用來保護世界的原子彈實際上卻破壞了世界，我們就認為科學家該為技術的不良使用而負責。 過去一個世紀以來，生物學一直試圖回答以下三大基本問題：每個基因是幹什麼？我們如何發現導致疾病的基因變異？以及我們怎樣克服它們？CRISPR誕生後，我們就有了答案，我們正在接近一種遺傳學的大一統理論。「我不確定黃金時代是什麼樣子，」某天，在實驗室張峰研究團隊一員Winston Yan告訴我，「但是我認為我們已經置身其中。」 2自1953年 James Watson和 Francis Crick發現DNA的螺旋結構起，生物學的核心目標便是致力於理解不同人類和不同物種之間四種鹼基（A、T、C、G）如何轉移和排列。CRISPR並不是第一個幫助科學家追逐這一目標的系統，但是它是第一個任何人只要有基本技術和幾百美元的裝置就能使用的系統。 「CRISPR是基因學界的Model T（福特歷史上的傳奇車型），」史丹佛法律與生物科學中心主任Hank Greely一見到我就說，「Model T不是第一輛汽車，但是它改變了我們駕駛、工作和生活的方式。CRISPR讓一個複雜的過程變得廉價易用。它非常精確。基因編輯的歷史是分子生物學史上最重要的一部分。」 科學家在20世紀70年代初期邁出了控制基因的第一步，當時他們知道可以使用被稱為「限制性內切酶」的蛋白質來剪下DNA鏈。突然，自然界中從來不會見面的生物體基因在實驗室中被連線起來了。但是最初的工具比之「手術刀」更像一把柴刀，因為在人類浩瀚的基因組中，它們只能識別出很短的序列且編輯並不精確。（想象一下在莎士比亞所有的著作中，只用「to be」作為關鍵詞來搜尋哈姆雷特的自殺獨白，你要翻閱數百個無關段落之後才能找到那一段。） 2001年，人類基因組計劃的第一份草圖出版時不出所料地顛覆了我們對生命的理解。圖譜幫助研究者將數千種基因與特定的疾病關聯起來，包括數百種引起特定癌症的基因。然而，要了解這些基因在疾病進化中所起到的作用並修復它們，科學家需要有組織地以各種方式開啟和關閉基因。雖然直到最近，修改一個基因仍舊需要花費數月或數年時間。 隨著偶然發現的鋅指蛋白（類似CRISPR群的一系列分子工具）的廣泛使用，事情開始轉變。1985年，科學家研究了非洲爪蛙的基因，發現其DNA周圍纏繞著一種手指狀的蛋白質。他們很快就研究出如何將這種纏繞蛋白與DNA剪下酶結合使用的方法。20年之後，遺傳學家開始使用由細菌分泌蛋白質組成的TALE操縱DNA，但是這兩種基因方法都非常昂貴且繁瑣。甚至連發表了使用TALE改變哺乳動物基因的第一篇報告的張鋒都認為該系統只是一個臨時方法。「它太難用了，」他告訴我，「我在實驗開始前不得不指派一個研究生專門製備蛋白質並測試。步驟十分麻煩。」 3張鋒對科學的痴迷始於初中時代，那時他媽媽督促他參加一個分子生物學的週末課程班。「我當時才13歲，還不知道分子生物學是啥，」從MIT校園走到大腦與認知科學系五十週年慶祝活動會場的路上，張鋒說道，「它確實啟發了我的想象力。」他的父母都是工程師，張鋒十歲那年他們全家搬到了愛荷華州。他們在那裡住了很久，因為父母認為在美國與在中國相比，張鋒能接受到更好的教育。 1997年，張鋒15歲的時候，獲得了在得梅因人類基因治療研究所生物安全實驗室向實習的機會，但是卻因為未滿16歲而不能去工作。「所以我只能等，」他說。在他16歲生日那天，他去了實驗室，見到了那些科學家。「我被指派給一個擁有化學博士學位的分子生物學家，」他繼續說，「他對科學充滿熱情，他對我和我的研究影響很大。」第一天，張鋒在實驗室呆了五個小時，從那以後直到畢業，每天放學後他都會在實驗室呆上五個小時。 張鋒非常內向，而且聲音低沉會讓人昏昏欲睡。我問他是否認為自己是個溫和的人（這是一種與獲獎的分子生物學家不相符的性格）。「你參加過我們實驗室的會議吧？」那天早上，我趕上了張鋒主持的團隊會議的尾聲。他紳士而無情地批評了團隊另一個人給出的報告。當我碰到另外一個參會人員時，他說：「那沒什麼，你要是從一開始就參加，會見得更多。」

（以下視訊是張峰獲得NSF（美國國家科學基金會）艾倫·沃特曼獎(Alan T. Waterman Award）時的採訪視訊。該獎項是為了獎勵年輕的科學家和工程師而設立。他在其中介紹了自己的研究方向。字幕由機器之心翻譯出品。）

[embed]http://v.qq.com/iframe/player.html?vid=w0162ft6oit&width=500&height=375&auto=0[/embed] 在他的週末培訓課上，張鋒學會了如何從細胞中提取DNA以及確定每個序列的長度。但是這不是他記憶最深刻的地方。「他給我們放了《侏羅紀公園》，」他的聲音抬高了一點點。「電影實在太精彩了。老師向我們解釋了電影中不同的科學概念，它們看起來都似乎切實可行。」 我們去了雞尾酒會，這通常是穿卡其褲的男人和穿高跟鞋的女人碰出不慍不火的風流韻事的地方。張鋒僅呆了20分鐘就離開直接回實驗室了。他一直關注認知科學領域，因為他希望他的研究能夠幫助神經科學家更深入地研究大腦。他告訴我他年輕的時候有個患有嚴重抑鬱症的朋友，他驚訝地發現竟然沒有可用的治療方法。這激起了他對心理學長久的興趣。「當你沮喪的時候，你就是生病了。」他說，「雖然這仍舊是個偏見，但是許多人都在飽受類似問題的困擾，我們卻無能為力。大腦仍舊是宇宙中最神祕的地方。」 42003年，布羅德研究所成立，由企業家埃利·布羅德和他妻子伊迪薩出資建立，旨在資助研究生命分子組成以及與疾病的關係。在張鋒的實驗室裡，我講述了CRISPR編輯基因的機制。「我們需要能夠在基因組中的精確地切斷DNA，」他一邊說，我一邊看著他工作。他轉了下椅子，指著裝有待分析和編輯的DNA的瓶子。Yan瘦瘦的，戴著一副眼鏡，手上戴著黑色實驗手套和白色Apple Watch。他拍手聳肩，表示所有的事就是這麼簡單。 [caption id="attachment_6737" align="aligncenter" width="1920"] Winston Yan[/caption] 訂購編輯DNA的基因元件並不像在亞馬遜的Zappos上買雙鞋那麼簡單，但其實可向那個方向發展。Yan開啟電腦，填寫著一家名為DNA整合技術公司（Integrated DNA Technologies，IDT）的訂購單。這家公司主要提供合成生物分子元件的服務。「可以在網上下單。合成一條序列通常一兩天就能拿到。」他說道。研究人員可以上網訂購各種生物分子元件，包括DNA、RNA以及其他所需試劑。你可以買到合成脊髓灰質炎病毒（已被實現）的部件或者能讓糞便聞起來有冬青味的基因元件。在劍橋，這家公司通常可以當天送貨。另一個機構Addgene成立於十年前，是一家非盈利的序列庫，儲存著成千上萬現成的序列，包括幾乎所有在CRISPR技術中用於編輯基因的嚮導RNA序列。布羅德研究所及其他機構的研究人員每合成一個新的嚮導RNA，都會向Addgene提供一個複製版。 CRISPR有一條包含20個鹼基的RNA，它引導分子「手術刀」精準定位到靶點。人類有2萬個基因，20個鹼基在一個基因中所佔的比例相當於一個人在全美人口中所佔的比例。CRISPR在定位到特定基因方面雖然優於其他系統，但並非完美，有時也會剪下錯誤。Yan想從Addgene訂一個現成的探針。拿到這個探針之後，他會將其與剪下酶配對，然後靶向特定基因。 在加入張鋒實驗室之前，Yan就被稱為「CRISPR狂熱者」。他補充道：「CRISPR已經改變了這個領域。許多年來在遺傳學裡有一種還原法，人們一廂情願地以為會發現導致癌症或者使人更易患有心臟病的基因。但實際上並沒有這麼簡單。」 5第二天早上，我來到布羅德研究所的新斯坦利大樓，乘電梯到頂層，然後將口袋掏空，戴上口罩，穿上實驗服，套上靴子，然後穿過氣室。氣室用專用墊片密封起來，同時一臺風機不斷地往出口吹風以防外來微生物進入。我走進了一個生態缸，這是一條幹淨的長廊，像是研究單位和醫院病房的結合。生態缸是去年開放的，這裡有上千種小鼠以及世界上最為精密的監測設施。 雖然我們對人類細胞癌變機理的認識不斷加深，但仍然無法在培養皿上研究突變。自20世紀90年代後期起，轉基因小鼠一直作為標準替代物。雖然治癒或致死小鼠的因素不一定會在人類身上也有同樣作用，但小鼠的基因組與人類的極其相似，且價格便宜易飼養。與人類和其他動物一樣，小鼠也會患上影響免疫和大腦功能的複雜疾病。它們會患癌症、動脈粥樣性硬化、高血壓、糖尿病以及其他慢性疾病。小鼠每三週繁衍一代，這使得研究人員能一次性研究好幾代。技術人員能從小鼠體內取出幹細胞，然後在實驗室中進行基因編輯，將這些編輯之後的幹細胞放回小鼠體內產生胚胎，待其增殖分化後，研究這個基因在動物發育中的作用。過程一目瞭然，但總的來說一次只能研究一個基因的一個功能。 布羅德研究所的飼養園裡養著一種完全不同的小鼠，它們的每個細胞內都攜帶著Cas9蛋白（Cas是CRISPR相關核酸酶（CRISPR-associated nuclease）的英文縮寫）。Cas9是 CRISPR系統的一部分，它是一種酶，作用很像一把基因手術刀。當科學家最初開始用CRISPR編輯DNA時，他們必須同時注入Cas9蛋白和引導它的基因探針。一年前，張鋒團隊的另一個成員Randall Platt意識到，CRISPR系統可以被切成兩部分。他將作為手術刀的酶植入小鼠胚胎，使它成為小鼠永久基因組的一部分。每當一個細胞分裂，Cas9酶都會隨之進入新的細胞內。也就是說，他和他的同事創造出了一種容易編輯的小鼠。去年，他們發表了這項研究，解釋了其中的方法。從那時候起，Platt將這個技術分享給了全世界一千多個實驗室。 「Cas9鼠」成為了CRISPR戰役中的第一個基本工具。由於可作為分子剪刀的酶已經存在於每個細胞中，科學家不再需要用嚮導RNA將它們放進去。他們可以同時派出多個基因探針，但只在他們想要研究的基因上引發突變。 為了論證一個在癌症研究領域有前景的應用專案，團隊運用了Cas9小鼠來模擬肺腺癌，這是肺癌中最發病率最高的一種。早先一段時間，科學家們在研究動物模型時必須一次修正一個基因或採用雜交動物以產生攜帶所需改造基因的菌群。這每種過程都極具挑戰並耗時許久。「現在我們在研究過程中如發現有價值的地方時，則可以直接在細胞中啟用CRISPR，並以任何我們需要的方式編輯這個基因組，」Platt說道並向我展示了研究基地。我們步入一個可以俯瞰整個劍橋的小檢測室，我看到一個研究人員將一個攜帶檢測裝置的Cas9小鼠放入生物安全櫃。通過一個萊卡顯微鏡，她用一個精密的毛細血管枕頭將一個單個細胞注射進小鼠的尾巴。 「如今我們有了自己的模型，」Platt說，並解釋到小鼠剛剛接受了攜帶三種試樣的注射，其中每一種都被編輯了他們認為與肺癌有關的突變基因。「這些細胞將會攜帶多種我們想要研究的突變基因。這絕對是一個具有革命性的進展。」 「過去，這些研究將耗時十年，並需要一個團隊共同努力，」Platt 說。「正因為有了CRISPR，我一個人只需4個月就能完成。」九月份時，張鋒在CellK刊物上發表了一篇報導，其闡述了另一種名為Cpf1的CRISPR蛋白質，它比起Cas9更小且更便於編輯。 該實驗室採用類似的方法來研究孤獨症。最近的試驗表明某些精神疾病可以被億萬神經元中很少的一些紊亂神經元所引起。研究大腦神經元功能困難重重。但是通過在實驗室的重塑研究，張鋒的團隊已經能夠在與孤獨症和精神分裂症相關的基因突變中找出其中相關的故障神經元並加以研究。 6隨著基因測序價格的暴跌，美國的癌症診所開始更加細緻地研究病人的腫瘤。腫瘤之間幾乎都不相同；有的可能帶有5個突變，而有的可能帶有15個，這意味著，從本質上說，每個癌症都是特別的、個人化的疾病。在 CRISPR可用之前，癌細胞中寬泛的基因突變常使人們很難研發出有效的治療方法。 「我最喜歡 CRISPR的地方就在於，你可以取出任意一個癌細胞系，敲除每個基因，識別出每一個細胞的『阿基琉斯之踵』。」最近，布羅德研究所58歲的主管Eric Lander這樣告訴我。Lander是人類基因組計劃的一員，他說這是他所遇到過的最有前途的研究工具。他說：「你還可以用CRISPR來系統性地研究癌細胞逃脫治療的方式。這使得我們可以繪製一張全面的癌症路線圖。」 [caption id="attachment_6746" align="aligncenter" width="1200"] Eric Lander[/caption] Lander繼續說，每種腫瘤的弱點都能夠被一種藥物攻克。但癌症細胞用多種方式躲避藥物，為了成功，治療方法需要將它們全部封鎖起來。這種策略對類似艾滋的傳染病來說已經證明了是行之有效的。「記著對艾滋的悲觀情緒吧。」他說到，提到了早些年的艾滋橫行時期，一旦診斷就意味著判了死刑。最終，病毒學研發出了一系列的藥物，能夠阻礙這種病毒繁衍的能力。療法成功了，然而，只有當這些藥物一同工作時，才能完整的切斷這些病毒。 同樣的方法成功應用於治療結核病。Lander被說服了，它也能夠治療很多癌症的：「利用三藥療法」治療愛滋病，「我們到達了一個拐點：我們輸的很慘，但某天，突然我們就贏了。」 他站起身穿過辦公室，走到書桌旁，指著牆上，描述著他對未來癌症治療方法的願景。他說：「將會有一張很大的圖表，當然，是電子的，它會包括針對每一種癌症細胞的治療方法——它們是如何形成的，你能打敗它們的所有方法，它們能夠逃之夭夭反敗為勝的所有方法等等。當我們有了這張表時，我們就贏了。因為每一個癌症細胞都變得愚蠢。它不知道我們用什麼在等著它們。傳染病會有些不同；它們會隨著它們的傳播共享它們所知道的。隨著它們從一個人遷移到另一個人身上，它們會從我們身上學到很多。但每個人的癌症將會變得愚蠢。這就是為何我們能夠戰勝它的原因。」 7發展任何如CRSPR這種複雜又有應用廣泛的技術需要很多科學家投身其中。關於發現和許可權的專利鬥爭可謂是遍地開花。張鋒，布羅德研究所和MIT現在就捲入了這樣一起糾紛，與Jennifer Doudna和加州大學起了爭執。Doudna是伯克利大學化學與分子生物教授。2012年時，她與在德國亥姆霍茲感染研究中心研究病原體的醫學微生物學家Emmanuelle Charpentier及其領導的實驗室一起第一次聲稱CRISPR可以編輯純化DNA。他們的論文於當年6月發表。然而在2013年1月，張鋒和同時供職於哈佛醫學院及MIT的基因教授George Church發表了第一篇研究，聲稱CRISPR可以用來編輯人類細胞。現今，專利通常會授予第一個有記錄的人——這種情況下，也就是Doudna和Charpentier。但張鋒和博德研究所據理力爭，認為早期關於CRISPR的成功並沒有涉及該技術能夠用於複雜生物，而這一點對科學家尋找治療預防疾病的方式影響深遠。 [caption id="attachment_6739" align="aligncenter" width="1920"] Jennifer Doudna[/caption] 張鋒被授予了這項專利，但加州大學要求官方重新進行評估，而最終裁決尚未明確。他和Doudna均跟我說這個官司讓他們「分了心」，希望能早日擺脫。兩者都保證將向研究員們免費開放所有的智慧財產權（他們也的確這麼做了）。但兩者也都涉及想要將CRISPR技術用於治療方法的新公司，正如很多醫藥公司和其他尋利企業。 CRISPR研究這項事業正在經歷著滾雪球式的發展：許多風投公司互相競投數百萬的資金，並且任何專利持有人都有權收取數額不菲的專利許可費。誰在這場競爭中佔得先機，誰就能猛賺一筆。其他成果同樣捲入其中，甚至可能包括諾貝爾獎（Doudna的支持者認為她是美國下一個女性諾貝爾獎獲得者，這種宣傳戰似乎有點類似於電影學院獎頒獎季的氛圍。）就在去年，國家科學基金會提名張峰最具成就獎，認為他的基礎研究「指引了一個方向」，它可以用來消除精神分裂症、自閉症和其他腦科疾病。幾個月後，Doudna 和 Charpentier每人收到三百萬美元突破性進展獎。該獎項成立於2012年，由矽谷一些億萬富翁資助，每年頒發給取得科研突破成就的科學家。這兩位女士因此出現在時代週刊年度世界最具影響力的名單上。 事實上，沒有哪個研究團隊是最早證實CRISPR，或第一時間去解釋說明它的工作機制的。在1987年12月，日本大阪微生物疾病研究所的生物學家們發表了從普通腸道細菌——大腸桿菌中獲得的一個基因DNA序列。在早期染色體研究時代，世界上數千所實驗室曾開始嘗試去勾畫從果蠅到人類的廣泛物種基因圖譜。為了更好的理解這個特殊基因的功能，日本科學家對其周圍的基因進行了測序。當他們分析完資料，驚訝地發現一個基因結構都沒被識別出來：他們對於導致這些奇怪現象的原因毫無頭緒，但他們在發表於《細胞學》雜誌的報告最後總結強調了一點：這些基因序列的生物重要性尚未可知。 這個謎團一直持續到2005年。西班牙阿利坎特大學的微生物學家Francisco Mojica長期都在關注如何理解CRISPR，他於當年決定將其DNA跟數千個類似的DNA進行比較。結果令人震驚：每個未知序列都是一個入侵病毒的DNA片段。 這樣一來，研究的速度就加快了。在2007年，任職于丹麥食品公司Danisco的微生物學家Rodolphe Barrangou 和Philippe Horvath發現，其酸奶生產通常被一些病毒所破壞，而其他的產品則不會，因此他們決定找出原因，他們用兩種病毒去感染生產酸奶的嗜熱鏈球菌，結果發現大部分嗜熱鏈球菌都死掉了，而存活下的那些都有一個共同的特徵，即他們都受到了CRISPR分子的保護。 「獨自一人不可能發現這些事情，」當我們在哈佛醫學院，George Church的辦公室裡見面時，他告訴我，「整個專利權之爭是非常愚蠢的。有很多研究成果都體現在這裡面。如果有任何人對這件事大驚小怪的話，我會特別煩他們。但我不會這樣做，因為我並不認為這樣事有多重要。他們都是很好的研究者，他們全都在做這項重要的工作，爭來爭去完全就是小題大做。」 8從此刻起，修改基因變成了可能，很多人，包括那些參與實驗的人都被這一想法嚇壞了：那些穿白大褂的科學家們將要重排生命的基本組成。1974年，之後在MIT就職的分子生物學先驅David Baltimore和史丹佛的Paul Berg一同由於病毒遺傳學的基礎研究獲得了諾貝爾獎，他們呼籲終止基因編輯研究，直到科學家們發展出能處理包含重組DNA生物的安全法規。這次會議召開於1975年，在加州阿西洛馬的會議中心舉行，此後該會議被當作生物技術憲法性會議。 與會人員約150名，其中大部分是科學家，討論限制偶然釋放轉基因生物風險的方法。與此同時，創造「設計嬰兒」還太遙不可及（只是一種展望，不管多不可能，這種展望和幾乎都在討論的CRISPR牽扯到了一起）。然而，這項技術似乎太讓人震驚。在劍橋，從普通人到MIT和哈佛，城市議會幾乎將這樣的研究全都禁止了。工作繼續，但解碼DNA序列並不容易。「1974年，30組鹼基對（組成我們DNA的60億核苷酸雙螺旋鏈上的30組），都是好幾年的工作成果。」George Church告訴我。而現在，同樣的工作僅需幾秒鐘。 至少在可預見的未來，CRISPR的最大影響將是能夠協助科學家快速重寫動植物基因組。在實驗室裡，農業公司已經開始使用CRISPR來編輯大豆、大米、土豆等的基因，使其更營養、更抗乾旱。科學家們甚至能編輯基因將過敏原從花生等食物中移除。 通常，需要花費數年的時間才有可能讓基因變化傳播到整個物種。這是因為，在有性繁殖時，任何基因的兩個版本都只有其中一個能遺傳下去。但「基因驅動」（根據其在很多代內推動基因傳播至整個物種的能力而命名）試圖凌駕於傳統基因規則之上。由CRISPR在染色體上改寫的變異能夠在每一代都進行復制，因此幾乎每一個後代都能遺傳這種變化。例如，給一隻蚊子進行一次基因變異，使它無法攜帶引起瘧疾的寄生蟲，那麼在一兩年之內，大部分蚊子都會被改變。如果這種變異減少蚊子產卵的數量，那麼這一物種將會逐漸滅亡，並且它所攜帶的瘧疾寄生蟲也將一起滅亡。 Kevin Esvelt是哈佛大學的進化學生物學家，他第一個發表宣告稱基因驅動和CRISPR可以聯合起來改變野生物種的性狀。最近，他開始研究利用該技術重寫野生老鼠的基因以消除萊姆病的可能性。萊姆病是由一種細菌引起的，通過蜱蟲傳播，在叮咬過老鼠後，有超過85%的機率會感染。然而，一旦被感染，某些老鼠自然地就會獲得抗體。Esvelt說道：「我的想法是獲取已有能抵抗萊姆病的基因，並確保所有的老鼠都有最有效的抗病基因。」為了做到這一點，科學家們將會通過CRISPR系統解碼最具保護性的基因，並使其聚集在一起。Esvelt強調這種方法只有在大量實驗和無數次關於該過程利與弊的公眾討論之後才有可能實施。 CRISPR 研究的進展幾乎每月都在更新。最近，Church報導他在一個豬細胞中同時完成了62個基因的編輯工作。如果這個技術精確且可輕鬆複製，那麼將大大緩解美國器官捐贈的短缺情況。近幾年來，科學家們都在試圖找到用豬器官進行移植的方式，但是實驗室的研究表明豬的DNA裡含有可傳染給人類細胞的逆轉錄病毒。Church和他的同事們發現，這些病毒擁有一個共同的基因序列。他部署CRISPR到達精確位置，並將其從基因上剪下出來。在這個值得慶祝的實驗中，CRISPR系統刪掉了豬DNA中的全部62組逆轉錄病毒，隨後，Church又將這些編輯過的細胞混入到人類細胞中，並沒有出現感染跡象。 9儘管CRISPR使得改變人類DNA成為可能，但依然存在很多風險。Jennifer Doudna就是一位呼籲關注人類基因編輯風險的人士。在位於Berkeley的辦公室，我們第一次見面時她這樣說道：「這（基因編輯）必然會發生，作為一個研究工具，CRISPR是無價之寶，但離真正臨床實踐還有不小的距離」。Doudna同時也是今年春天發表在Science雜誌公開信的主要作者，這封公開信呼籲暫時停止研究。Doudna也和其他人組織會議討論基因編輯的倫理，這次會議約有來自美國、英國、中國等國家的200多位科學家參與，會議將於12月第一個星期在華盛頓的國家科學研究院舉辦。 截止到今年4月，關於CRISPR技術運用到人類上的倫理討論還停留在理論層面。來自中國中山大學的研究人員試圖修復86個人類廢棄胚胎的基因，這種基因會導致地中海貧血，是一種十分罕見但致命的血液迴圈混亂。如果這些致病基因，以及導致類似纖維化這種情況的基因可以在受精卵中進行調整，那這種改變不僅可以保護單個人，最終還能在這個人的遺傳世系中永遠消滅這種疾病。如果時間充裕，這種改變可以影響到整個人類。外界對於這個實驗的反應很大都是一種恐懼和憤怒。時代週刊評論這個新聞的標題：《中國科學家編輯人類胚胎基因，引發擔憂》。 批評者認為這個實驗不負責任，同時認為這些科學家們違反了現有的行為準則。在接受NPR採訪時，來自基因和社會中心的Marcy Darnovsky說：「這個論文展現了巨大的安全風險，任何這種嘗試都需要並強調其風險性，並且要在其行動之前採取必要措施。創造可修改基因人類的社會危害不能被誇大。」 這看起來並非完全的否定該實驗。不過，中國的研究者並不是要創造一群基因修改了的人類。他們只是測試其過程，每一個我交談過的CRISPR 研究者都認為該實驗計劃縝密、考慮周全。科學家們也同意實驗結果富有啟發性。Lander告訴我：「這是一個很有倫理道德的論文，一個非常負責任的專案。他們做了什麼？他們從試管嬰兒診所取來一些三倍體受精卵（相當普遍的一種基因偏差），他們故意選擇這些，因為他們知道人類無法從這些胚胎中產生。他們的論文講了什麼呢？『你看，我們發現了一些問題。』這是一個很科學的行為，也是富有警示意義的事情。」 少於半數的基因並未被編輯成功，大多數也沒有保留被置入的新DNA。這個實驗發表在一份中國期刊《 Protein & Cell》上面，清晰展示了科學家離安全編輯人類基因的時刻還有很長的路要走。CRISPR 系統同樣也會出現非計劃中的剪下或代替，這些潛在影響尚不知曉。在其他的案例中，在胚胎的部分細胞中也有一些正確的變化，但無法做到全部成功，這將會導致其他的問題。哥倫比亞大學幹細胞研究者Dieter Egli在論文釋出後表示：「他們做了一件非常好的事情，指出了很多挑戰。他們自己也認為現有的技術還沒有準備好用於所有應用。」 Doudna認為中國的研究得出了有價值的結果。她51歲，從02年開始居住於伯克利，那時她和她的丈夫，生物化學家Jamie Cate一同加入了化學、分子、細胞生物部門。他們的辦公室緊挨在一起，有著相同的景緻，能夠看到舊金山灣區和金門大橋。Doudna的工作不同於在Broad的科學家們，她的重點放在了分子上，而非哺乳動物遺傳學。幾年來，她都領導著RNA形狀、結構和能力的調查研究，而在2011年，Charpentier向她尋求幫助，探索CRISPR機制。Doundna個子很高，有著灰金色的頭髮和銳利的藍眼睛。她在夏威夷長大，父母是當地的大學教師；到了上大學的時候，她決定離開這個美麗的小島，並前往加州學習。她在哈佛獲得了博士學位，之後搬到了耶魯。她說：「我一直有一顆不肯安分的心，花費了大量的時間想要知道之後會有什麼新玩意。」 Doudna是個倍受尊敬的生物化學家，但她告訴我不久之前她考慮加入醫學學校或者也可能參與商業。她說她想要對世界做出貢獻，並開始擔心她實驗室裡那些研究的影響力會受到限制。然而，她致力於CRISPR的保證促使她留在了實驗室。她告訴我她一直為該技術的潛力著迷，但當我問到她曾經是否想過這項強大的新工具會不會弊大於利時，她看上去不太舒服。她說：「我幾乎每晚都會躺在床上問我這個問題，當我90歲回顧我這一生時，我是會為了我們成功發明了這項技術而由衷感到開心呢？還是會後悔，希望從來沒有發現過它是如何工作的？」 她的眼睛眯縫起來，壓低聲音，幾乎以耳語的方式輕聲說：「我從沒有公開說過這話，但我會告訴你我的心智在哪裡。我最近做了一個夢，在我的夢裡」——她提到了一個頂尖科學研究員的名字——「來找我，並對我說：『我這邊有一個非常有權勢的人，我希望你見他一下，我要你向他解釋一下這個技術的原理。』然後我說，當然可以，他是誰？他是阿道夫·希特勒。我真的嚇壞了，但我還是走進了一個房間，希特勒就在那裡。他有一張豬面臉，我只能從背後看見他。他正在紙上做筆記，並說道：『我想要理解這個神奇技術的使用方法和啟示。』我在一身冷汗中醒過來。從那天起，這個夢就一直困擾著我。因為，假如像希特勒這樣的人得到了這種技術——你根本想不到他會用它來做什麼可怕的事情。」 10沒有人會用CRISPR技術來設計嬰兒，更不用說短期內改變人類的整體基因了。即使科學家有能力編輯人類胚胎，這種經過基因工程改造的孩子也要花上很多年的時間才能長大成人，繁衍後代——還要花上很多代，這種改變才能傳遍整個人類。 雖無近憂，但有遠慮。現代醫學已經塑造了我們的基因組，因為它保護了一些本會被自然選擇清除出去的基因。今天，成千上億的人都有近視眼，其中有不少幾乎可以算是失明。如果人類沒有發明眼鏡，那麼視力差就會變成一種生存威脅，而不僅僅是一件麻煩的瑣事，如果是這樣，或許近視眼的基因就不會像今天這樣普遍。同樣的事情也發生在許多傳染病上，甚至還包括糖尿病這樣的慢性病。 人類還攜帶著一些基因，儘管能抵抗某種疾病，但卻讓我們對另一些疾病更易感，因此不可能預測出完全或部分改變它們會帶來什麼影響。愛滋病毒常通過一種叫做CCR5的蛋白質來進入人體血液。這個蛋白質的某種叫做Delta32 的變異基因能防止愛滋病鎖定細胞。如果每個人都攜帶有這種突變基因，那就沒人會得愛滋病。那為什麼不把這種變異引入到人類基因組呢？某些研究團隊正在研發這樣的藥物，想要把這種方法用在已經感染愛滋病的病人身上。 然而，有一件很重要的事情是，你必須注意到，這種過程會預防愛滋病感染，但它同時提高了我們對西尼羅病毒的易感性。權衡一下目前的得失，這個方法似乎很值得一試，但我們沒法知道7代或10代之後，它是否還會有效。例如，能引起貧血的鐮形紅細胞可以預防瘧疾，因為細胞的形狀阻止了寄生蟲的傳播。如果20萬年前就已經有CRISPR技術了，用它來編輯全人類的鐮形紅細胞似乎是一件明智的事。但結局可能是毀滅性的的。 「這有點像地質工程，」張鋒告訴我，類似那些刻意改變氣候以抵消全球變暖造成的損害的嘗試。「一旦你走上那條路，就可能是不可逆轉的。」 George Church並不同意。他告訴我：「我認為，說它不可逆轉是一個偽命題。成千上萬的科技都不可逆轉。但基因不是其中之一。在我的實驗室裡，我們每時每刻都在製造變異，然後再把它們變回來。此時起11代之後，如果我們發現以前改變的基因不再正常工作，那我們再把它改回來就行了。」 1997年，蘇格蘭科學家聲稱他們克隆了一隻叫「多利」的羊，從而震驚了世界。記者（包括我）蜂擁而至愛丁堡，只為寫下這個奇蹟一般、但卻像開啟了潘多拉魔盒一般的科學成就。一時間，關於克隆以及人生價值的文章鋪天蓋地。邪惡的人們和獨裁者將克隆他們自己、他們的孩子和寵物。新的人類階級即將崛起。 18年後，我們最接近於克隆人的是一次失敗的克隆猴子的實驗，那是2007年。現在可沒人花時間擔心這個了。在劍橋的這個夏天，在Broad的研究人員之一告訴我，他和Louise Brown都生於1978年，後者是第一個成功通過體外受精誕生的人。他問到：「這引起了軒然大波嗎？」確實。甚至7年前，James Watson就在《大西洋月刊》中寫道，即將到來的設計嬰兒紀元將會全面勝出我們。然而今天，超過500萬的孩子通過體外受精來到世上，那種特殊的狂熱，似乎也就此過去了。 CRISPR技術為修改生命的根本導致的初期害怕提供了一種新的出口。有很多不同的原因引起了擔憂。但評估任何新技術的利弊是有必要的。大多數人都會認為從根本上改變人類基因池來治療像是艾滋之類的疾病太危險了，如果我們能夠用藥物或疫苗治療的話更是如此。但風險總是取決於潛在的結果。如果CRISPR有助於揭露自閉症的祕密，能夠治療癌症，或者能夠讓農民們更加便利地種出更營養的食物同時減少環境破壞的話，恐懼，就像在這之前的很多其他技術引起的恐懼一樣，最終都會消失。（完）   選自newyorker，作者 MICHAEL SPECTER，機器之心編譯出品。參與人員：汪汪，孟婷，李小魚，柒柒，Joshua，趙賽坡 。