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自2012年以来,研究人员常用一种叫做CRISPR的强大“基因组编辑”技术对生物的DNA序列进行修剪、切断、替换或添加。最近,美国约翰·霍普金斯大学医学院的科学家证明,这一系统还能精确有效地改变人类的干细胞。研究人员指出,这一发现简化了对诱导多能干细胞(iPSCs)的修改和定制,有望更快在治疗上取得成果,开发出用于疾病研究和药物测试的模型系统。相关论文在线发表于最近的《分子治疗》上。CRISPR来自微生物的免疫系统,这种工程编辑系统利用一种酶,能把一段作为引导工具的小RNA切入DNA,就能在此处切断或做其他改变。以往研究表明,通过这些介入,CRISPR能使基因组更有效地产生变化或突变,效率比TALEN(转录激活因子类感受器核酸酶)等其他基因编辑技术更高。但最近研究发现,虽然CRISPR有许多优点,在人类癌细胞系列中,它也可能产生大量“误伤目标”,尤其是对不希望改变的基因做修改。
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转基因新技术CRISPR养活全世界编辑本段回目录

《新闻周刊》最新一期封面
《新闻周刊》最新一期封面

  导读:《新闻周刊》最新一期封面文章称,转基因技术出现名为CRISPR-Cas9的新突破。CRISPR-Cas9 本是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御,如今科学家可用以精确分析和操控作物基因,在不改变物种本质的情况下提高其产量、营养价值和适应能力。

  内布拉斯加一位玉米种植者望着田间因干旱而发育不良的玉米杆一筹莫展、一位尼日利亚农民从地里挖出干瘪的红薯、一位哥斯达黎加咖啡大户因咖啡病虫害让几百名工人回家待业。去年春天笔者在纽约种了几颗樱桃树,今年夏天的一个早晨,笔者发现树上爬满了日本甲虫。

  在这个遭受气候变化和经济全球化的星球上,这类灾害正变得日益普遍:农作物受旱、土地因过度耕种和旱灾而退化、漂洋过海的害虫对毫无防备的庄稼大吃特吃。虽然多年来农学家一直在寻求解决之道,但人口迅速增长使得这些挑战极为迫切。如果我们不能养活全世界,最终我们将自食其果。

  联合国及多位专家预计,到2050年全球粮食产量将翻倍,届时全球人口数量将从目前的70亿增至90多亿。到2015年还只有35年的时间,而且不会增加新的可耕地。事实上可耕地也许还会减少。比如,美国农业部数据显示,2002年到2012年的10年间,美国可耕地减少了7300万英亩(约合4.4亿亩)。由于最近几年来的严重旱灾,一定有更多耕地抛荒,今后的形势只会越来越严峻。

  不过,解决办法似乎初露端倪。 2012年,科学家发明了革命性地改变植物基因序列分析、操控方式的新工具。与以往基因修改工具不同的是,这种名为CRISPR-Cas9的新工具十分有针对性,科学家可利用它精准定位单个基因,将其打开或关闭,移除基因或用不同基因替换。初步迹象显示,该工具与培育新杂交品种的传统辛苦方式相比就像F-16战斗机之于石器时代的长矛。生物学家和基因科学家深信它能帮助他们实现第二次绿色革命——如果我们愿意的话。

  “现在我们改写基因有了极其简便,迅速和高效的技术,” CRISPR-Cas9发明者之一、加州大学伯克利分校的杜德拉(Jennifer Doudna)在2014年“基因组学创新计划”(Innovative Genomics Initiative)成立之日如是说。“它能使我们完成以前无法做到的实验。CRISPR-Cas9工具的速度与简便对农业具有重大意义:我们能借此培育出更加耐旱的作物,或者增加农作物的收成。研究人员已经兴奋不已,相关专业论文已经发表了150多篇,而且发表速度日益加快。

  CRISPR是“规律成簇的间隔短回文重复”英文首字母简写,是细菌用以保护自身免受致命病毒和噬菌体伤害的手段。回文重复作为免疫应答元素是细菌从入侵病毒复制、混合的基因代码,这样入侵病毒再现时就能够轻易被认出——与FBI张贴通缉令、往敌人身上喷洒荧光粉如出一辙。

  这种技术还得依赖“向导RNA”的分子与Cas类别的蛋白质支持。目前发现的最有效的Cas蛋白质是Cas9。人们早就知道RNA是DNA传达信息的载体。在细胞中,Cas9为DNA分子准备好化学交互环境,然后促使RNA找到选中的DNA片段。RNA找到相应片段后引导Cas9进入DNA解开其双螺旋链,根据科学家的化学指令使这部分失去/加强工作能力或者切除所选基因。然后细胞的修复功能又使DNA的双螺旋结构恢复。

  这一过程可轻易修改植物DNA而不改变其本质——除了变得更为可口、更有营养、更耐旱、上市更快、运输和机器收割更方便。无论公司大小,整个世界还是与外界隔绝的地区,都可利用CRISPR-Cas9技术。

  在过去,靠碰运气的作物自然培育过程很费时间。第一次绿色革命之父伯劳格(Norman Borlaug)改良一种小麦品种用了几乎20年。利用CRISPR-Cas9技术我们可以把培育周期缩短至几天或几周。

  个中原因部分在于如今我们能够以较低成本迅速处理、存储、比较巨量基因数据,于是科学家对细胞化学和基因的知识迅速增长,更重要的是许多作物的基因组数据库迅速膨胀。

  理论上我们将对我们所喜爱的作物基因组了解得一清二楚,以至于能够替换每一个基因。基因组分类工作日新月异。堪萨斯州立大学研究人员已经对小麦21对染色体中的第一个也是最难的染色体进行了排序——一对染色体的复杂程度就远远超过整个水稻基因。他们说剩下20对染色体排序可在3年内完成,届时我们将完全掌握小麦基因组的知识。小麦是全球种植面积第三、蛋白质最丰富的农作物,是最多样化的食品和烹调原料。

  然后,CRISPR-Cas9技术惊人的灵活性就可派上用场。想法是利用CRISPR过程像换掉一块乐高积木那样完全替换作物基因序列一个片段,以改善特定的作物习性。想象一下赤道地带厄瓜多尔的生长在盐碱地边的小麦,与爱荷华州的小麦相比所结麦粒又小又苦。不过把厄瓜多尔小麦部分基因组加入美国小麦,科学家们培育出了既耐盐碱地,同时又能保证丰富产量的小麦品种。这样土地干旱、盐碱的厄瓜多尔和美国都能得到改良品种。

  须知这一过程并不创造新物种。通过利用作物自然杂交的基因微调作物自身基因特性,CRISPR-Cas9帮我们使作物适应新的环境。由于该工具只针对作物DNA的一小段,严格说来该作物的品种不变,甚至仍同属一个基因类型。正如科学家们所见,该技术尊重作物品种在亿万年间的进化能力,同时帮助它加快进化速度以适应今日之环境。

  谨慎和有的放矢是必要的。试验的早期结果还不能完全预料。 一个公布的数据是成功率80%,对于实验人员来说,这个数据已经够了,但还不足以进行商用。可能会发生“脱靶DNA交互,这种情况下你偶然修改了基因组其他地方一个极其相似的序列,”康奈尔大学Boyce Thompson Institute基因作物培育实验室主任范艾克(Joyce Van Eck)说道。这在之前的基因工程技术中也是一个大问题。CRISPR-Cas9相对来说很精确,但一些科学家仍心存疑虑。该技术可以得到提高,可研发不同版本的CRISPR-Cas9,或者科学家可发现一种发挥CRISPR-Cas9作用的更加精确的新型酶。

  另一方面,范艾克及其同事证明他们的工作对西红柿很有用—像动物研究中的小白鼠那样,西红柿已成为植物研究中的典型物种。很快他和该领域的专家将努力提高西红柿的耐寒和抗病虫害能力。业内取得的其他初步进步还包括一种适应性更强、光合作用更迅速有效的水稻新品种。这意味着只要消费者认可,科学家便可利用CRISPR-Cas9随意操控水稻,针对水、土壤肥力、温度等环境因素做出调整,提高水稻的产量、营养价值和适应性。

  生物技术农作物已在全世界普遍种植。美国批准了大约100种农用转基因作物。作为印度至关重要的经济作物,棉花已几乎全部是转基因,中国则达到90%。全世界80%的大豆为转基因,玉米为35%。孟加拉正在考虑种植产量翻倍、更耐病虫害的转基因茄子。

  不过也有国家犹豫不决。作为玉米发祥地的墨西哥如今必须进口玉米才能满足本国需求,因为本国活动分子拒不接受转基因农作物。墨西哥玉米产量低于世界平均水平38%,与90%为耐病虫害转基因玉米的美国低三倍。棉铃虫、地老虎、贪夜蛾等害虫在墨西哥农田肆虐,吃掉多达一半的庄稼,农民被迫喷洒成千上万吨杀虫剂。

  由于政治原因和民间强烈反对转基因,欧盟只批准了一种用于动物饲料的转基因玉米。

  转基因工作不仅不受一些人欣赏,还引起强烈的对立情绪。拿黄金大米来说吧。它本是一种基本的水稻,只不过修改了基因以自产维生素A,有能力拯救280万儿童免于失明及挽救其中100万儿童的生命。然而它却呆在实验室束之高阁。绿色和平等环保组织对转基因闻之色变,他们强烈反对转基因,去年在菲律宾捣毁了黄金大米试验田。

  转基因的安全性得到绝大部分科学家认可。皮尤研究中心最近一次调查显示,88%的美国科学家认为转基因技术无害,相比之下普通公众只有33%这样认为。美国最高法院近期一项判决认定转基因苜蓿是安全的。美国农业部反复审查后允许种植转基因甜菜。迄今为止,若干独立研究已证明许多转基因作物作为饲料的效果。2012年,《食品化学毒理》杂志发表了一篇12项长期研究和多代研究分析综述,得出转基因作物与非转基因作物营养成分相当,可以安全用于食品和饲料的结论。独立组织Biofortified表示,已进行100多项这类研究,尚无一例发现有害结果。

  反转基因者往往爱提与小白鼠、转基因玉米和杀虫剂“农达”(Roundup)有关的两项科学研究。这两项研究都是法国科学家Gilles-éric Séralini所做,他发现食用转基因玉米的小白鼠比控制组的小白鼠更容易夭折。不过最初接受Séralini研究的《食品化学毒理》杂志后来收回了他的论文,Séralini还受到欧洲各大科学与食品安全组织的谴责。Séralini的研究存在诸多问题,其中之一是试验小白鼠类型更容易患癌——常规条件下80%会长出肿瘤。澳大利亚阿德莱德大学教授马斯格雷夫(Ian Musgrave)在Séralini的研究被撤销时向《福布斯》表示,他的研究结果来自疏于控制的实验中的随机变量。

  很可能读者听说过有效成分为草甘膦的农达。 它是孟山都(92.49, -1.27, -1.35%)公司开发多年、在全世界种植者中实现财务独立循环的第二季组合拳。孟山都生产农达,1996年以后又生产了包括大豆、玉米、苜蓿在内的抗农达种子——这些农作物都是能抵御除草剂的转基因作物,意味着消除侵害农作物空间的杂草时农作物本身不受损害。这对农户来说是好事。但孟山都的抗农达种子有阴暗的一面:购买种子的农户须签订协议保证不用种子的收获物作种子,换句话说,他们必须每年从孟山都购买新种子。这为孟山都带来了滚滚财源:全球400亿美元种子业务三居其一。孟山都农达事件继续发酵,其中一项担忧是抗农达农作物的转基因DNA可能已经污染了非转基因食品。而且草甘磷可能是健康一大威胁,世界卫生组织将其认定为可能致癌物。

  与此同时,非转基因受到消费产品品牌的追捧。当然,如果2/3的美国人都认为转基因有害,那么宣传自己为非转基因就有利可图。地方政府也加以干涉。佛蒙特州如今要求在本州销售的所有转基因食品做出转基因标识。俄勒冈州两个重要的农业县禁止本区域内种植转基因作物。

  不过尽管存在世俗的争议,美国和其它国家的转基因开发仍然源源不断地获得启动资金,从风投家到葛兰素史克(40.26, 0.02, 0.05%)诺华(96.55, 0.28, 0.29%)之类的传统制药公司均投入巨资研究转基因的生物医学应用。(柠楠/编译)


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