作者：馬麗(li) 佳（西湖大學生命科學學院功能基因組學與(yu) 生物信息學實驗室負責人）

　　　每個(ge) 人的基因組都是獨一無二的特殊存在，是“我”之所以是“我”，而不是其他任何人的獨特編碼。如果將每個(ge) 人的基因組都看作一本書(shu) ，書(shu) 中的篇章詞句就是大大小小的基因片段，它們(men) 講述著生命體(ti) 從(cong) 出生、生長發育到死亡的所有故事。當基因片段出現錯誤，人就會(hui) 生病。過去，能夠無障礙閱讀這本“基因書(shu) ”就是很了不起的事情了，但今天的科學家們(men) 已經可以運用各種技術，去糾正“書(shu) ”中出現的錯誤。

　　　1、剪除錯誤並插入正確基因片段

　　找到“基因書(shu) ”中錯誤的片段並將其精準地恢複為(wei) 正確的片段就是基因“編輯”。CRISPR，是基因編輯技術的一種，相比早前另外兩(liang) 種基因編輯技術TALEN和ZFN，它更靈活易用，同時具有高精度和低成本等優(you) 點。這些優(you) 點，得益於(yu) 兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵“人物”——gRNA和Cas9。gRNA，也叫向導RNA，顧名思義(yi) 就像GPS導航。在“基因書(shu) ”裏，向導RNA的職責就是在浩如煙海的基因組“文字”中找到出錯的地方，然後規劃出前進路線；而Cas9，是一種核酸內(nei) 切酶，它就像剪刀，會(hui) 沿著向導RNA規劃好的路線抵達出錯地點，然後剪開錯誤的基因片段。這就是為(wei) 什麽(me) 很多人稱CRISPR/Cas9基因編輯技術為(wei) “基因魔剪”的原因。

　　看到這裏，大家也許就會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 疑問：剪開錯誤的片段，又怎麽(me) 把正確的填進去呢？

　　這就有些類似於(yu) 編輯文章。根據文字出錯方式的不同，使用不同的方法去糾正。如果是有一段錯誤的文字被放到了不該出現的地方，或者雖然隻有一兩(liang) 個(ge) 錯字，但是刪掉這些錯字和它附近少量的文字反而使句子恢複原意，那就可以直接切掉不需要的文字。這也是目前臨(lin) 床試驗中最基礎、采用最多的剪切式方案。

　　如果是隻有一個(ge) 字母錯了，可以隻將這個(ge) 字母改回原來正確的樣子，這要用到堿基編輯器。但如果是一小段文字都不見了，那就需要提供一份新的文稿補回去。補的方式也有不同，有一種方式叫作引導編輯，針對某個(ge) 出錯的基因片段，科學家會(hui) 讓向導RNA帶一段正確的RNA序列到體(ti) 內(nei) ，作為(wei) 標準答案或模板，當“基因魔剪”把錯誤的基因片段去除後，連在“基因魔剪”上麵的分子機器逆轉錄酶會(hui) 依樣畫葫蘆，照著答案模板抄一份對的DNA放回原位。另一種方式，則是由科學家在體(ti) 外合成一段正確的DNA，作為(wei) 正確答案本身，利用細胞自身的同源重組修複機製填入“基因魔剪”切開的位置。

　　因此理論上，隻要知道出現錯誤的靶點、正確的答案以及擁有一套編輯工具，數千種由於(yu) 基因出錯導致的疾病都可以找到治愈的辦法。但從(cong) 科學理論到臨(lin) 床實踐，是一個(ge) 複雜的係統性工程，運送編輯工具進入細胞、找到並抵達發生錯誤的基因片段、切掉和修改錯誤的片段，這三個(ge) 步驟所涉及的技術都大有講究。要在每一步上都精益求精，才能高效、精準地把出錯的基因編輯好，完成從(cong) 基因編輯工具到基因編輯藥物的轉變。

　　2、治療遺傳(chuan) 病和癌症前景可期

　　已經有極少數深受遺傳(chuan) 病困擾的人體(ti) 驗過“基因魔剪”。

　　例如近期對β-地中海貧血和鐮刀狀貧血症的基因治療方案。這兩(liang) 種病都是因為(wei) 編碼β-珠蛋白的基因出現了變異，造成血紅蛋白減少和貧血。由基因編輯技術發明人、2020年諾貝爾獎化學獎獲得者埃曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）開發了一種“曲線救國”的治療方案：通過使用基因編輯技術降低另一個(ge) 抑製基因的表達，來恢複γ-珠蛋白的表達，其通常是在胎兒(er) 時期才表達的，從(cong) 而達到恢複紅細胞功能的目的。該方法在臨(lin) 床上已獲得了初步成效，截至2020年年底已治愈了4名β-地中海貧血和鐮刀狀貧血症的病患，幫助他們(men) 擺脫了長期輸血的負擔和並發症的困擾。這種療法需要分離患者的造血幹細胞，在體(ti) 外通過電穿孔將基因編輯藥物導入細胞，然後再將造血幹細胞植入患者體(ti) 內(nei) 進行造血係統重建。類似的方法也可以用於(yu) 其他造血幹細胞相關(guan) 遺傳(chuan) 疾病的治療。

　　據英國《自然》網站報道，2020年，一名身患萊伯氏先天性黑蒙症（LCA10）的患者，成為(wei) 接受CRISPR基因編輯藥物人體(ti) 直接注射試驗的第一人。先天性黑蒙症是一種遺傳(chuan) 失明症，是導致兒(er) 童先天性失明的主要原因。該療法通過在視網膜下注射含有基因編輯藥物的腺相關(guan) 病毒載體(ti) ，將突變的基因內(nei) 含子片段切除或使其形成倒位，從(cong) 而恢複基因的正常表達。後續更多的臨(lin) 床試驗結果表明該療法對部分患者有積極的效果。

　　基因編輯技術更激動人心的廣泛應用是癌症治療領域。嵌合型抗原受體(ti) T細胞免疫療法（CAR-T）是通過轉基因技術將T細胞改造成針對特定腫瘤的一種新型的殺傷(shang) 細胞的癌症治療方法，在白血病、淋巴瘤、骨髓瘤等血液癌症治療中有良好的療效。傳(chuan) 統CAR-T療法需要分離患者的T細胞，在體(ti) 外進行轉基因，擴增至治療需要的數量後再輸回患者體(ti) 內(nei) 。這是個(ge) 漫長的過程，有可能錯過治療時機。體(ti) 弱的幼兒(er) 和老年病人也可能沒有足夠的T細胞供分離。現在通過使用CRISPR技術將T細胞中個(ge) 體(ti) 識別的基因敲除，可以實現通用型CAR-T細胞供應，縮短治療時間並擴大適用人群。

　　不過這樣的好消息，在目前階段依然是罕見的。從(cong) 技術到臨(lin) 床，還有很長的一段路要走。基因編輯技術還有許多值得開發和深化的地方，但是隨著科學家和創新藥物研發工程師的努力，相信在不久的將來，“基因魔剪”會(hui) 像外科醫生手中的手術刀一樣，精準、快捷和有效地將病灶清除。

　　　3、“導航防護衣”還需更加優(you) 化

　　還記得前文說過基因編輯的幾個(ge) 步驟嗎？科學家和工程師們(men) 目前在做的就是“各個(ge) 擊破”這件事。

　　首先，找到更先進的導航。假設已知某一處基因片段出錯需要通過編輯來修正，實際操作時往往需要在一定的坐標範圍內(nei) 選擇“一刀切”的下刀位置。如果向導RNA足夠優(you) 秀，它就可以規劃出一條最優(you) 路線：比如，選擇哪個(ge) 點下刀，既可以準確切除錯誤片段，又不會(hui) 誤傷(shang) 沿途其他的基因；又比如，能夠從(cong) 極其相似的兩(liang) 個(ge) 或幾個(ge) 目的地中，辨認出真正需要執行編輯任務的那一個(ge) 。

　　然後，磨出“快刀利刃”，也就是優(you) 化出準確度更高、編輯效率更高，體(ti) 積更小的基因編輯蛋白。這一點比較容易理解：刀鈍，一刀下去拖泥帶水，要麽(me) 沒切幹淨，要麽(me) 把不該切的也拉扯下來，既不精準也不安全。而如果刀快，一刀下去幹脆利落，隻切該切的地方，才是基因編輯的理想工具。

　　此時，如果配上一套動力和安全性都上乘的“遞送係統”，就完整了。當導航、手術刀和正確答案都準備就緒，這些執行編輯工作的關(guan) 鍵“人物”，需要被護送進入人體(ti) 並直達目的地。而這看似最平平無奇的一步，反而是整個(ge) 基因編輯係統裏相對較難的一部分。假設我們(men) 想要編輯肝髒細胞的基因，就需要將向導RNA和基因編輯剪刀“打包”在一個(ge) 針劑裏，然後通過注射的方式輸進人體(ti) 內(nei) 。

　　這團複合物從(cong) 針頭位置開始往肝髒“跑”，如果沒有保護，這些外來物在路上難免會(hui) 遭到免疫係統的攻擊，很多時候還會(hui) 去到不想讓它們(men) 去的組織器官。此時，可以把“遞送係統”，看作給向導RNA和“基因魔剪”穿上了一件“導航防護衣”。隻有當它們(men) 抵達執行基因編輯任務的目標細胞時，“防護衣”才會(hui) 自動脫落，釋放出一整套基因編輯工具。顯然，什麽(me) 材質適合做這件防護衣，如何避免防護衣提前脫落，這些都是需要優(you) 化的技術要點。

　　　4、人工智能加速開發“基因魔剪”

　　在已知的6000多種遺傳(chuan) 病中，目前隻有大約幾十種被美國食品藥品管理局批準的藥物，可以對其中一部分疾病進行治療，絕大部分遺傳(chuan) 疾病連有效的治療方案都沒有，治愈更是無從(cong) 談起。由於(yu) CRISPR可以修改DNA序列，因此對主要由基因突變、缺失等造成的遺傳(chuan) 病來說，基因編輯技術可以為(wei) 患者們(men) 帶來一線希望。

　　但僅(jin) 僅(jin) 針對某一個(ge) 疾病基因，去開發一套完整的治療方案，是一項非常大的係統性工程。結合創新研究範式、基因測序高通量數據和人工智能算法，我們(men) 團隊正在搭建一個(ge) AI助力的基因編輯工具開發平台，全方位優(you) 化CRISPR係統，篩選開發出更多的對症基因治療方案，同時使這項技術可以更精準、更安全地在人體(ti) 內(nei) 發揮作用。

　　就像用不同的導航會(hui) 有不同的推薦路徑，使用不同的向導RNA編輯同一個(ge) 基因會(hui) 有不同的編輯效率和脫靶率，而同樣的CRISPR係統編輯不同的基因，效率有時候也會(hui) 有巨大的差異。這些差異是由目標基因序列決(jue) 定的。而從(cong) 海量的基因序列—編輯效率所對應的數據中，找出潛在規律並用於(yu) 預測和設計新的向導RNA，正是人工智能所擅長的。這些問題出現在基因編輯三部曲的每一個(ge) 大小環節。生物數據的產(chan) 出能力在目前階段是有限的，但是實驗室正在產(chan) 出龐大的高質量體(ti) 內(nei) 數據集合，為(wei) 構建人工智能模型提供了更為(wei) 真實可靠的訓練集。將人工智能應用於(yu) 基因和細胞治療領域，我們(men) 需要以數據為(wei) 核心，開發適用於(yu) 此應用場景的人工智能算法，對數據深度學習(xi) ，建立起一套適合於(yu) 某種疾病的基因治療模擬平台。

　　依靠現代數據連接和人工智能算法所具有的獨特能力，可以保持生物事件的實時和動態性。由此對非線性功能關(guan) 係進行建模，可以有效提高模型與(yu) 過程的匹配度。例如，美國博德研究所（Broad研究所）的David Liu團隊及其他研究人員創建了一種機器學習(xi) 模型，並已於(yu) 2018年11月7日在《自然》上發表。該模型可以理解為(wei) 人工智能，實現了高精度地預測人類和小鼠細胞如何響應CRISPR誘導的DNA斷裂。他們(men) 證明即使沒有模板，Cas9編輯也是可預測的，並且能夠精確修複預測的基因型，從(cong) 而糾正與(yu) 人類疾病相關(guan) 的突變。在這些領域，中國的科學家團隊也已經逐漸接近世界最好的水平。

　　這種逐漸興(xing) 起的科學研究和藥物開發範式，深度結合高通量實驗數據與(yu) 人工智能模型，通過數據特征的提取和模型的不斷優(you) 化，實現從(cong) 靶點發現、新編輯工具開發、新靶點基因治療策略開發到最終成藥的一體(ti) 化技術。最終將打通人工智能結合生物學數據進行CRISPR係統開發的全流程，加快遺傳(chuan) 病、癌症等治療方案的開發速度，讓更多期待被救治的病患，能有機會(hui) 獲得更有質量的生活。