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基因编辑技术可能永远的改变整个物种——科学家记者詹妮弗卡恩16年2月份在TED上的演讲

这是一个有关于基因驱动的演讲,但首先我先讲一个小故事

20年前,一位名叫安东尼*詹姆士的生物学家正致力于培育出不会传播疟疾的蚊子,想法很好,但是失败了。

首先,让蚊子不携带疟疾是非常困难的,最终,詹姆斯在几年之前利用添加基因的方式才使蚊子抵抗疟原虫的寄生成为可能。

但是接下来带来了另外一个问题,我们有了抵抗疟疾的蚊子,要如何替换那些携带疟疾的蚊子呢?

有很多方案

方案一主要依靠培育的方法,向大自然释放一群新型的经过基因改造的蚊子,寄希望于它们大量繁殖,释放原来的基因。可是问题在于释放10倍于原来蚊子数量的转基因蚊子才会有效果。如果一个小镇上有一万只蚊子,那就要释放十万只转基因蚊子,可以想象,小镇村民肯定不会接受这个方案。

后来,今年一月的时候,安东尼詹姆斯收到一封来自于一名叫伊森比尔的生物学家的邮件。比尔说他和他的研究生瓦伦蒂诺*甘茨无意中发现了一种工具,不就可以保证特定的基因会被遗传,而且基因传播的速度难以执行的快。如果他们是对的,就重基本上解决了这个詹姆士潜心研究20的问题。实验中需要两只携带抗疟疾基因的蚊子,以及新的工具,即基因驱动装置。

实验的设计是任何携带抗疟疾基因的蚊子,将拥有红色的眼睛,而不是常见的白色眼睛。这只是为了更好的通过肉眼就可以区分它们的基因携带状态,研究者把两只抗疟疾红眼蚊子防疫一个拥有30只普通白眼蚊子的盒子中,让他们自由繁殖。两代繁殖之后,培养了3800个子二代。这并不是让人惊讶的部分。

下面才是惊人的部分:如果一开始只有两只红眼蚊子30只白眼蚊子,他们自由繁殖的后代大多数应该是白眼

然而当詹姆斯打开盒子,3800只蚊子都是红眼。当我问伊森比尔这一时刻的感受时,他太兴奋了,在电话里一直叫喊着。

因为只得到红眼蚊子,打破了生物学的绝对基本定律,孟德尔遗传学定律(孟德尔遗传学认为当雄性和雌性交配,它们的后代会遗传父母各一半的基因)

所以如果本来蚊子的基本是aa转基因的蚊子是aB,B是抗疟疾基因
后代应该呈现下面四种基因组合aa aB aa Ba 然而在使用了新的基因驱动之后,它们全变成了aB型

从生物的角度说这应该是不可能的,到底发生了什么?

首先,2012年一种叫做CRISPR的基因修改工具进入了人们的视野。很多可能听说过CRISPR,简而言之CRISPR是一种允许研究者快速精准简单的修改基因的工具。这种工具利用了一种存在于细菌中的机制,也就是一个扮演了DNA的剪刀角色的蛋白质。在一个RNA分子的指示下剪刀可以作用于任何目标基因组。就像是一个基因文字处理系统。你可以取出整段基本,在加入一个经行替换,甚至可以编辑基因中的单个碱基。这个工具几乎使用于所有物种,前提我提过基因驱动有两大难题。

首先是如何培育一只抗疟疾的蚊子?多亏了CRISPR,我们解决了这个问题。然而第二个问题随之而来。如何让这个性状得以传播?这就是这个装置精巧的地方。几年前,哈佛大学的一名叫做凯文@恩斯福尔特的生物学家探究如果不久久在新基因中使用CRISPR,在剪切复制机制中新基因中使用CRISPR,在剪接复制机制中也使用CRISPR,会发生什么情况?换言之,如果CRISPR自己也进行复制粘贴会如何?我们就得到了永动的基因修改工具。事实果真如此。恩斯福尔特创造的CRISPR基因驱动装置不久保证了性状的传播,而且当他作用于生殖细胞的时候,他会在每个个体的两条染色体上自动复制粘贴新的基因。
就像是全面检索并替换的功能


用学术术语来讲,就是杂合子性纯合化这意味着什么?首先我们拥有一个很强大但同时也令人担忧的新工具,目前为止,基因驱动还并不是很有效,这反而让我们感到欣慰。通常,当我们对有机体的基因进行研究时,会研究一些进化中不太可能发生的变化。

生物学家可以随心所欲培育变异的果蝇,根本不用担心任何后果。就算有些逃出实验室,也无法再自然界中存活和繁殖。基因驱动的强大和可怕之处在于这种情况不再是理所当然的了。想象新的性状并没有一个像蚊子不会飞那样的很大进化缺陷。基于CRISPR的基因驱动将很快的让每一个个体拥有这种性状,目前为止基因驱动技术还并不完善,但是詹姆斯和恩斯福尔特相信最终我们可以做到。

好消息是它美好的愿景只要在1%的疟蚊身上使用含有抗疟疾的基因驱动装置,疟蚊就是传播疟疾的蚊子。研究者预测一年之内所有疟蚊都会获得新的基因。所以一年之内就可以根除疟疾。实际上我们还需要几年时间来经行实验。但是目前,每天仍然有1000个孩子死于疟疾。一年之内这个数字可能几乎下降为0。登革热、黄热病也可以同样被根除,这项技术会越来越成熟,如果你想根除入侵物种,比如五大湖中的亚洲鲤鱼,只需使用基因驱动让鱼群只能繁衍雄性后代,几代之后没有了雌性鲤鱼,鲤鱼种群就会随之消失。理论上我们可以通过这个方式保护上百种濒临灭绝的本地物种。

上面是好的部分

下面说说负面影响

基因驱动的效率太高,以至于不经意释放的样本都可能在短时间内引起整个种群的巨大改变,詹姆斯做高了预防措施,他在一个生物控制实验室繁衍蚊子,并且蚊子也并不是美国本土的种类,所以就算蚊子逃跑了也会因为没有办法交配而灭绝。但是如果有一些携带只繁殖雄性后代基因驱动的亚洲鲤鱼偶然从五大湖被带回亚洲,这可能会让整个亚洲鲤鱼种群灭绝。鉴于现在世界联系的紧密程度,这是很有可能的。这也是为什么为出现物种入侵。这是鱼类的情况。

而像蚊子和果蝇一类的生物,他们经常漂洋过海,基本上是没有办法限制它们的。

另一个坏消息,基因驱动不一定被限制在我们所谓的靶物种上。这是源于基因流动(相似的物种偶尔会彼此杂交,如发生了杂交,有可能基因驱动会穿过物种的限制。比如亚洲鲤鱼可能会影响其他的鲤鱼种类)

如果基因驱动只是改变了一个性状,比如眼睛颜色,可能还好。

而实际上,近期很可能将会有大量奇怪的果蝇被培育出来。

如果基因驱动被用于毁灭物种,很可能会导致大的灾难。

更可怕的是基因驱动的技术,这种能够培育含有基因驱动的有机体技术,基本上是世界上任何一个实验室都可以做到。本科生就可以做到,甚至有天赋的高中生在有设备的情况下都可以做到。这就很可怕了

有趣的是,几乎每一个和我探讨基因驱动的科学家都不认为基因驱动实际上那么可怕和危险。一部分原因是他们相信科学家们使用这个技术时都会非常小心谨慎。

目前为止如此。不过基因驱动也有一些实际的限制,首先它只能应用于有性生殖的物种。

所以谢天谢地,它们并不能用在细菌和病毒的培育上。

其次,性状只有在不停繁衍下才会传播。所以只有在繁殖周期很短的物种中改变或者灭绝种群才是可能的,比如昆虫或者类似于鼠类或者鱼类的小型脊椎动物。对于大象或者人类,可能需要几百年。改变的性状才可能传播的足够广。

另外,就算有CRISPR,想要制造一个真正可以引发灭绝的性状也不是简单的事。

比如你想制造一种果蝇,它们已普通水果为食,而不是腐烂的水果。打算以此摧毁美国的农业。

首先你要搞清楚,哪个基因控制果蝇的择食,这就已经是很复杂的项目了。

接下来你要根据你的想法通过改变基因去改变果蝇的习性,这将是更加复杂的项目。甚至可能压根没什么效果,因为基因对于行为的控制是非常复杂的。

所以如果你是一个恐怖分子,你会选择开始一个耗时多年的艰苦卓越的也许还没有结果的实验,还是直接选择炸毁目的地?多半是后者。

至少在理论上,制造一个逆转驱动装置也应该很简单。这样就可以覆盖第一个基因驱动进行的改变。所以如果你对于改变的结果不满意,启动第二个装置取消改变,至少理论上是可行的。

那么这一切到底告诉了我们什么了?

我们现在可以随意改变整个族群,是这样吗?

我们扮演了上帝的角色了么?

我并不这么认为,我想说的是:首先,很多睿智的人现在已经开始讨论如何规范基因驱动,与此同时另外一些聪明的人开始制定安全保护措施,比如让基因驱动自我调控,或者在经过几代之后逐渐消失。这是很好的,但是这项技术任然需要更多的讨论。而且鉴于基因驱动的本质,全球都应该参与到讨论之中。如果肯尼亚想使用一个基因驱动但坦桑尼亚不想怎么办?谁来决定可以广泛传播的基因驱动什么时候释放?我不知道答案。

接下来我们能做的,是实事求是的讨论利弊,并且对我们做出的选择负责。

我的意思是,不久就是选择使用基因驱动,也可以选择禁用它。人类倾向的最安全方案就是维持现状,但事实不一定如此。基因驱动确实有风险,也需要认真讨论,但是疟疾现状每天都夺去1000个人的生命,为了对抗疟疾我们播撒了对于其他物种,包括两栖类和鸟类都伤害巨大的杀虫剂。

所以如果接下来的几个月你听到了基因驱动,你们一定会听到的,请记住我我说的话,行动意味着风险,但有时无动于衷更加致命。

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