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《科學大家》專欄 | “修剪基因”:讓人絕望的遺傳病將被改寫

發布時間:2019-04-30 17:02:14
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  出品新浪科技《科學大家》、墨子沙龍

  撰文仇子龍中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所研究員

  基因治療與腦疾病有什么關系呢?首先我們需要了解基因是什么?基因就在我們的細胞里面,細胞里有 30 億個堿基對組成我們所有的基因,基因編碼我們的皮膚、肌肉、心臟、大腦等人體的一切組織和器官。每個人的基因都是父親給一半,母親給一半,很多病是因為基因突變引起的,我們稱為遺傳病。有些病跟父母的基因有關,有些是父母身上沒有這個基因,是孩子身上自發突變的,都被叫做遺傳病。總之,它是基因突變導致的一種疾病。

  這種遺傳疾病的治療通常很麻煩,因為基因在我們每個人的身體里面,從生下來那一刻就沒有變過,我們怎么改變他們?如果基因壞了,我們怎么修復他們?這就是我們想研究的課題。

  現在我們有辦法一步一步修復讓我們得病的基因。最新的基因修復工具,叫 CRISPR/Cas9。

  強大的基因編輯工具 CRISPR/Cas9 竟是細菌防御天敵的武器

  基因編輯工具最早是生物學家在實驗室里研究的一種用來修改 DNA 的方法。它們是某個聰明人設計出來的嗎?完全不是。這個工具的壽命長達數億年甚至幾十億年,存在于細菌體內,是細菌反抗天敵的工具。細菌的天敵叫做噬菌體,細菌就是一個細胞,噬菌體會抓到細胞上,把細胞吃掉,但是細菌不會坐以待斃,怎么辦呢?它們演化出來一套很復雜的系統。

CRISPR/Cas9——目前最強大的基因編輯工具,原來是細菌防御天敵噬菌體的武器

  當噬菌體感染細菌的時候,把自己的 DNA 注射到細菌里面,噬菌體用基因消滅宿主并完成自身基因的復制。在這種情況下,細菌進化出了一套非常強大的工具。細菌會把這個噬菌體 DNA 記下來,然后把噬菌體的 DNA 拷貝到自己的基因組里面,根據基因組的序列,設定出一套跟它匹配的 RNA,根據 RNA 做一套酶去剪切噬菌體的基因。

  相當于,當噬菌體第一次來的時候,細菌先被動防御一下,但細菌會記住噬菌體的樣子,噬菌體再來的時候,就像現在人臉識別非常準確,細菌會把之前專門存的信息讀取出來,然后生出一套很大的 DNA 剪切酶,把入侵的噬菌體的 DNA 破壞掉了。

  說起來匪夷所思,我們都想不到。

  被人類馴化的基因武器 CRISPR/Cas9

  直到 2012 年科學家才發現這套工具,之后這套工具就被科學家馴化了,細菌可以設計識別出噬菌體序列,那么人類基因組任何一個地方都可以當作假想的噬菌體。科學家把這套系統設計了一下,變成了可以識別生物體內任意序列的工具。

  這套系統首先被 Doudna 和 Charpentier 這兩位科學家發現,他們獲得了由谷歌贊助幾百萬美元的突破獎。2013 年 1 月份,科學家 George Church 和華裔科學家張峰第一次在哺乳動物細胞里面實現了定點基因的編輯。這套工具(CRISPR/Cas)是有史以來最精確的基因編輯工具。

  基因組編輯紀元從 2012 年開始

  面對基因疾病,這套工具顯能手!

  編輯基因能干什么呢?我們做科學實驗,從研究基因的功能,到做一個基因修飾的動物,到動物模型,都需要基因編輯工具,所以現在已經成為全世界做基因(研究)的科學家實驗室的必備工具。但是更重要的是,這個工具有可能被用來修復基因突變,有可能用來治療遺傳病。

  舉個例子,上圖這個病的名字叫 DMD,中文名字叫杜氏肌營養不良疾病,是一種致死性遺傳病,它就是基因突變導致的,這個病只在男孩兒中發生,因為基因突變發生在X染色體上,女孩攜帶突變的基因但不會發病。

  這個病的進程非常殘酷,小朋友兩三歲的時候沒事,慢慢的肌肉里面的筋就會逐漸積累有毒的蛋白質,到后來會失去所有的行動能力。不只是四肢的肌肉會萎縮,負責呼吸的肌肉和負責心跳的肌肉也會慢慢萎縮。突變的基因影響了全身所有肌肉的正常功能,最后小朋友在十幾歲只能癱在輪椅上,可以想像患者基本活不過二十歲,就會因為呼吸衰竭死去。

  科學家研究這個疾病幾十年,找到了原因,就是因為一個基因突變,導致肌肉里的蛋白質失去了功能。

  下圖是 2015 年幾位美國科學家對小老鼠做的實驗,他們給小老鼠攜帶上同樣的基因突變,叫 DMD 小鼠模型,小鼠會癱瘓,也是致死的。他們用最新的基因編輯的方法,給小老鼠患病的基因做了編輯。比如說,本來在這里有一個基因突變,基因序列變成了終止密碼,就讀不下去了,蛋白表達終止,現在用基因編輯的剪刀把這塊有毒的基因,叫外顯子,把它切掉,缺了一塊但仍然可以讀下去,這個基因盡管是不完整的,但是仍然獲得了一部分的功能。

  小鼠經過治療,活了下來。這個實驗第一次讓我們看到了 CRISPR/Cas 用作基因治療的工具有可能在小老鼠身上成功。

  通過基因編輯治療 DMD 小鼠實驗第一次展示了基因治療有可能在小老鼠身上成功

  但是怎么對人用?小老鼠畢竟不是人,怎么把這個工具安全有效地轉到人身體里面?這是非常難的課題。科學家努力了十幾年,最近剛剛有了突破。

  科學家用的就是這樣一種病毒作為載體來幫忙,這個病毒還是大自然母親的杰作。這個病毒叫 AAV:腺相關病毒,是一種不會使人得病的病毒。這個病毒里面自己的基因都被科學家刪掉了,只留下我們想留下的治病的基因,或者是基因編輯的工具等。所以現在可以用改裝過的病毒載體開展基因治療。

  腺相關病毒作為基因載體還有另外一種可能性,就是“干細胞”治療,也是科學家一直在測試的。2015 年發表了這樣一篇研究文章:下圖這個小朋友大概 14 歲,把他身上攜帶突變的細胞取出來,在體外做基因編輯的修復,然后把肌肉細胞變成多能干細胞,之后再分化成正常的肌肉細胞。那么是不是可以把他修復好的肌肉細胞打到身體里面去?幫他行使正常的肌肉功能,這也是非常有前景的領域。

  Gavriel Rosenfeld

  但是這個工作還在進展當中,小朋友 2015 年已經 14 歲,今年已經 18 歲,已經成年了。他每一天的病情都在不斷惡化,所以能不能有辦法馬上讓他的病情得到扭轉?我們現在可以用 AAV 基因載體的工具,先裝載一個小版本的基因治療他。

  十年前還沒有基因編輯,科學家想出另外一個方法,直接給病人一個迷你版本的 DMD 正常基因。這兩位學院派的教授,是美國北卡羅來納大學教堂山分校專門研究病毒的教授,一位叫 Samulski,另一位肖嘯教授是他的第一位博士生。師生兩人原來只是研究怎么找到病毒的載體、研究病毒的生物學。后來他們發現病毒可以作為載體來治病,于是他們就用病毒做載體的方法,來看能不能治療 DMD。

  他們 2014 年共同成立了 Bamboo Therapeutics 基因治療公司,就用 AAV 作為載體來治療 DMD。2014 年的時候,他們證明 AAV 病毒是能夠安全有效給人用的,不會讓人得病。但是怎么來把 DMD 基因運送進人體還有一個問題,它是人類最大的基因。這么大一個基因,病毒載體是有限的,它裝不進去。怎么辦呢,他們把 DMD 基因做成縮小版本,為了知道管不管用,他們摸索了十幾年的時間,在小鼠身上,甚至在一個天生有 DMD 疾病的狗身上進行試驗,把狗的 DMD 治好了。最值得振奮人心的是,經過十年的安全有效性的實驗,他們終于有機會在人身上嘗試。

  基因治療大幅改善 DMD 患者身體狀況

  基因治療的效果-杜氏肌營養不良癥

  在 Facebook 上可以找到,這是一個美國的參與了他們臨床實驗的小朋友。

  左邊第一個是治療前,這個小朋友當時大概五六歲,他上臺階的時候非常困難,因為他渾身的肌肉已經開始病變。

  第二個是他治療 1.5 個月以后,荷載了正常的名義版本的 DMD 基因的 AAV,被注射到他全身的肌肉,幫助他恢復功能。治療 1.5 個月以后,是不是好多了?我們都覺得很奇怪,到人身上能這么快起效嗎?因為他是給了一個基因,從 DNA 變成 RNA 變成蛋白質,還要填到肌肉組織里去。

  圖三是他三個月的時候,在美國的一個棒球場。他爸爸帶他看棒球,他渾身是汗,因為他爬了很多臺階了,可以看到他很流利的爬臺階。

  圖四是四個月的時候,他居然可以下水游泳了,他可以協動全身的肌肉在水里游泳。最后可以看到,在六個月的時候他在叢林里奔跑,面對如此復雜的環境,他像正常小朋友一樣在奔跑。

  這是用了 Samulski 和肖嘯教授的 AAV-miniDMD 方法進行的第一例成功的基因治療。Bamboo 公司在 2016 年被美國最大的制藥公司以 6.45 億美元收購,然后開展更大規模的臨床實驗。

  這是第一個成功的例子,后來還有一個更令人振奮的例子。DMD 是全身的肌肉疾病,肌肉治療相對容易一些,真正難的是大腦疾病。

  面對更難治療的大腦疾病,科學家該怎么辦?

  大腦疾病是神經出了問題,全身的神經,從大腦到每一個內臟器官和肢體都有。神經大腦疾病能不能用基因治療的方法治療?這兩年出了非常好的消息。有一種神經系統疾病叫做脊髓性肌肉萎縮(SMA),它是因為神經細胞的基因突變,導致神經末梢慢慢萎縮,所以就像渾身癱瘓一樣。

  這個藥物已經研發成功,而且已經上市,這種疾病也是用基因的方法治療。SMA 的發病率是一萬分之一,算是罕見病,但是在中國,得病人群很多。這個疾病沒有任何有效的治療方法,因為是基因得了病。現在有這樣的方法,可以將得病基因修復,把這個病治好。

  第一個有效的方法是 Biogen 研究出來的,Biogen 是美國最大的生物技術公司。下面這個圖,人的全身都是神經,這都是神經末梢。怎么治呢?他們知道是什么基因壞掉了,他們用一個反義核苷酸的方法把壞掉的基因沉默掉,就是把壞掉的基因關掉,沒有改變這個基因。

  但是令人振奮的是這種方法很有效,可以治好這個絕癥。2016 年這個療法獲得了 FDA 批準。這個藥物需要打到脊髓里面,順著人的腦脊液到神經系統來工作。FDA 批準意味著它在安全性和有效性上都得到了權威認證。這是一個非常有效的沉默基因的方法,并沒有修復基因。

  SMA 基因療法藥物開發的兩家公司

  另外一個小公司叫 Avexis,它利用 AAV 的方法,像 DMD 一樣,把正常的基因運送到全身各處。這個方法很難,因為神經系統不像肌肉,可以進行肌肉注射,大腦治療也很難,需要 AAV 像定向導彈一樣往大腦里走。他們得到初步的臨床實驗結果,發現效果非常好,持續非常久。

  2018 年業內一個大消息,制藥業巨頭諾華花了 87 億美金收購了這家公司。大的制藥公司覺得一個新的藥物出現了,基因治療的藥物確實是有可能的。

  跟大家說了這些病,我們課題組的努力在眼科疾病。其實美國和歐洲的研究比我們領先,我們是有點落后的,畢竟剛開始。

  最新的一個基因治療的眼科藥物(AAV 方法)在美國上市了。因為視網膜慢慢的突變,會發生眼科疾病。三年前我們與中國科技大學的薛天教授合作,想開發一個新的基因編輯修復突變的方法,能不能用基因編輯的方法真正的修復基因。這個基因編輯很多人用,但是還沒有人做到把體內細胞的突變修復。

  我們想做原始創新,要做一個別人沒做到的方法。下面這幅圖右邊是我自己回國后的第一位博士生程田林博士,已經畢業三四年了。他想設計一些基于基因編輯的突變修復方法,他設計出的這個方法比較復雜,這個文章很快就要發表了。我們的想法是能不能裝一個定向導彈把它定點修復呢?我們就用這個方法,在薛天老師的實驗里,打到失明小鼠的視網膜里面去。這是一個攜帶視網膜基因突變的模型小鼠(見下圖),基因突變以后蛋白質就消失了,視網膜就失明了。用原位的精確修復的方法,可以看到A變成C,原來中止的蛋白質的就讀通了。這個方法就把蛋白質基因突變修復了一下,把蛋白質救回來。救回來之后小鼠能夠恢復光明嗎?這是我們不知道的。

  怎樣完美的修復基因突變?

  我們給視網膜做了一個反射試驗,正常的視網膜照一下強光,瞳孔會收縮,失明的就不會收縮。我們修復過以后,瞳孔開始產生了光反應的狀況,說明基因修復好以后,蛋白質開始工作,讓眼睛開始慢慢感光了,也發現視網膜定位的功能也慢慢修復了。經歷兩年多的時間,小老鼠恢復了光明。我們修復失明的過程雖然不是很完美,但是讓它慢慢恢復了光明,這是第一步,走出了從 0 到 1 的第一步。

  基因治療的明天

  上圖是我們現在所有的進展,非常令人振奮。我剛才說的這些病,聽上去都是絕癥,但很多基因藥物都已經上市了。血友病在進行第二期臨床試驗,地中海貧血在臨床實驗,帕金森也在第二期臨床試驗。我們看到最近三到五年之內,有大批的基因治療的藥物即將上市,我們也希望有更多基因治療的藥物在中國有更多的臨床實驗,惠及到中國的病人。

  注:文章整理于仇子龍老師在墨子沙龍上的演講,有刪減。

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