用基因编辑技术改变自然没有想象的简单

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    据国外媒体报道,半个多世纪以来,科学家一直梦想着利用“自私的基因”对所有物种进行基因编辑。这种基因可谓自然界的一大怪胎,它竟能绕开正常的遗传法则、强行把自己遗传给下一代。几年前,伴随着CRISPR-Cas9基因编辑技术的问世,使这一带有科幻小说色彩的理念变成了触手可及的现实,名为“基因驱动技术”(gene drive)。但除了媒体的炒作和对滥用该技术的恐惧,科学家如今对基因驱动技术的实际作用提出了怀疑。

    基因驱动技术是一种分子技术,可强行将经过编辑的基因遗传给下一代,无视自然界父母双方各占50%的遗传法则。一直到2015年,研究人员才首次在果蝇身上演示了经人类编辑的基因驱动技术。很快,科学家就已经开始考虑利用该技术消灭害虫、杀死疟蚊了。

    但不久便有人发现,在雌性蚊子的不育基因往下遗传了多代之后,蚊子产生了“抵抗力”,部分蚊子不会再遗传到这种变异基因。就像细菌可对抗生素产生耐药性一样,野生生物也能对旨在消灭自己的基因编辑产生抵抗力。基因驱动技术就此失灵。

    在近日期刊《PLOS Genetics》上发表的一篇文章中,康奈尔大学的科学家指出,许多果蝇似乎对基因驱动技术具有天然抗体。该论文更加有力的说明,对大量野生物种进行基因编辑并非仅仅向基因组中嵌入基因驱动DNA那样简单。

    新西兰政府正在考虑利用基因驱动技术杀灭入侵的害虫。在美国楠塔基特与玛莎葡萄园,一名科学家想利用该技术根除莱姆病(一种由蜱虫叮咬引发的疾病)。在关岛,还有人希望以此控制树上长蛇的问题。但科学家也指出,该技术的发展不可能这么快。

    “由于抗体率过高,驱动基因不可能在物种内部广泛传播。”该研究的共同作者之一菲利普·梅赛(Phillip Messer)指出,“关键在于,生物的抵抗力比我们此前预计的严重得多。这一技术仍可发挥作用,只是不像最初所想的那么简单。”

    还有人指出,到目前为止,围绕基因驱动展开的探讨都只是纸上谈兵,严重脱离现实。

    “生物的‘抵抗力’可轻而易举地阻挠基因驱动技术的发展,使其很难实现预期效果。”该论文指出。

    要将基因驱动技术投入实际使用,生物的抵抗力并不是唯一的阻碍。举例而言,到目前为止,合成基因驱动技术还只在昆虫和酵母菌身上实验过。该技术的安全性也是人们关注的一大重点。此外,从环保界的抗议来看,该技术还会遭遇不少监管和政治障碍。

    但最大的问题也许还是生物的抵抗力。并且这个问题直到最近才得到人们的重视。

    “人们开始关注该技术的细枝末节,我们也开始研究需要解决的细节问题。”印第安纳大学生物学家加布里埃尔·森特(Gabriel Zenter)说道。

    在这项新研究中,科学家首次对或许与这种抵抗力有关的机制有了些许了解。在基因驱动技术面前,有些果蝇似乎有着更强的基因抵抗力。科学家还发现,这种抵抗力可形成于受精前和胚胎发育过程中。此外,基因抵抗力可能会在某一代果蝇中突然出现。这意味着即使我们对野生生物使用了该技术,也很难预测它的有效性。

    “你不知道基因组中是否有会对基因驱动工具造成正面或负面影响的因素。”森特指出,他本人并未参与此次研究,“人们此前并未预料到会出现基因背景的问题。至于这些函待解决的障碍,我认为我们的理解正日趋成熟。”

    几支团队已经针对这些障碍展开了研究。在今年发表的另一篇论文中,研究人员提出了一种重新设计基因驱动工具的方法,也许能攻克生物对它的免疫力。该方法假设,如果使基因驱动工具的结构复杂化,物种在短时间内就难以进化出免疫能力。运用这种新方法,基因驱动工具切除DNA片段时便不仅限于一处,而是分散在不同地点,因此DNA需要经过多次变异、才能覆盖基因驱动工具的影响。此外,研究人员还提出了另一种方法,将编辑目标瞄准基因组中对生物身体健康至关重要的部位,因为这部分基因的变异概率最低。

    梅赛的实验室已经用第一种方法进行了实验。“有一定效果,但不如我们希望的那样有效。”

    梅赛指出,真正有效的基因驱动工具将比所有人想象中复杂得多。为对抗生物的基因抵抗力,该技术将采取多种不同策略、攻入其基因组。

    正在哈佛研究基因驱动的博士生查尔斯顿·诺伯(Charleston Noble)则更为乐观。他指出,蚊子产生抵抗力的可能性比果蝇要小。并非每个物种处理起来都如此棘手,而且有时候根本不需要编辑一整个物种、就能达到预期的效果。

    此外,麻省理工学院的合成生物学家凯文·艾斯维尔特(Kevin Esvelt)称,这项实验只是验证了科学家早就知道的事实而已。

    “这些实验说明,根本没必要研发只能切除一处DNA片段的基因驱动系统,”他指出,“我不确定这能否突破该领域的瓶颈,也不确定这种技术能否成为现实。”

    在合成生物学领域,人们常说“生命自有其方法。”这句话也许有几分道理。要对大自然进行编辑,一个简单的基因开关是远远不够的。

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