CRISPR：希望与伦理问题

工程6（2020）719新闻亮点CRISPR在人类中的应用显示出希望，而专家则权衡伦理问题彼得·韦斯高级技术作家2019年11月，基因编辑技术“CRISPR”的首批批准的人体试验之一这两名患者都患有痛苦的、危及生命的遗传性血液病，并接受了数十亿自身造血干细胞的输注这些前体血细胞已经被CRISPR改变，以产生无疾病的血细胞。1例输血依赖性β地中海贫血患者需要每月输血一次以上才能存活，但自治疗以来已有9个月不需要输血。另一名患者是一名30多岁的女性，患有严重的镰状细胞性贫血，每年平均有7次畸形红细胞堵塞血管，在此后的四个月里完全停止了发作她的输液‘‘To1. 突破性的工具作为改变几乎所有生物基因组的突破性工具，CRISPR使基因编辑比以前的基因操作技术更容易，更精确，更快，更便宜，更通用。 1）[3]。自2012年CRISPR首次登上世界舞台以来，全球新闻媒体，许多参与其发现和大量应用的科学家和工程师，以及其他评论员，都告诉世界期待这项技术的奇迹，特别是人类健康的改善。CRISPR这个缩写指的是细菌中古老的遗传密码序列，生物学家在20世纪80年代末首次对它感到困惑。它代表“成簇的，有规律间隔的，短的，回文重复。”虽然对不熟悉分子遗传学的人来说很神秘，但这个短语巧妙地总结了细菌染色体中的遗传编码模式，经过多年的研究，发现细菌染色体中包含先前攻击细胞的病毒的遗传密码片段[4]。病毒通过将它们的遗传物质--核糖核酸（RNA）或脱氧核糖核酸（DNA）--注入它们侵入的细胞中进行繁殖[5]。受感染细胞的内部机制不是制造细胞Fig. 1. 20世纪90年代末，苏格兰爱丁堡的一家博物馆展出了绵羊多莉的尸体，作为尖端应用生物学的展示，引起了轰动和争议。如今，CRISPR已经超越了简单的克隆，它提供了一种强大的基因工程工具，可以用来创造一个增强的娃娃或人类，这引起了深刻的伦理问题。图片来源：Wikimedia Commons（CC BY 2.0）。攻击者的蛋白质和基因组对于许多病毒来说，这些病毒亚基自组装成如此多的新病毒颗粒，以至于宿主细胞破裂，溢出病毒感染更多的细胞和宿主。在细菌基因组的CRISPR区域不远处，存在着蛋白质的基因，这些蛋白质已经进化成在细菌的内部巡逻。就像拥有强大下颚的爆炸物嗅探猎犬一样，这些分子复合物，Cas（CRISPR相关系统）蛋白与从CRISPR链复制的病毒片段偶联，检查它们遇到的遗传链以匹配敌人病毒序列。如果复合体找到了匹配的基因组，它就会将敌对基因组切割成无活性的片段。到2000年代中期，分子生物学家意识到CRISPR/Cas代理网络作为细菌中的原始适应性免疫系统，他们开始解构和修补CRISPR/Cas代理的精心编排。这个细菌防御系统。到2012年，其中一些CRISPR/Cas试剂，特别是那些涉及当时很少研究的Cas9蛋白的试剂，已经让研究人员眼花缭乱，因为他们的向导RNA能够定位DNA的确切位置。从那时起，研究人员认识到他们可以设计这样的结构来靶向基因组中的精确位置[7]。通过切割DNA链，https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.05.0102095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng720磅 Weiss /工程部 6 （2020）719通过预先选择的精确位置，CRISPR/Cas9复合物可以禁用或激活单个基因，并纠正和精确地修饰和调节它们的功能。2. 创新引擎作为创新引擎，CRISPR并没有让人失望。在发现CRISPR/Cas机制以及该技术所能实现的实验和操作类型时，对分子生物学的更好理解现在推动了在生命科学和相关行业的广泛领域中如何进行研究[8]。科学家们现在可以“在过去从未有过的水平上研究生物体，”生物化学家Jennifer Doudna说，他是CRISPR的先驱，领导着加州大学创新基因组学研究所，这是全州大学系统的旧金山和伯克利（该研究所所在地）校园的学术合作伙伴关系。如果你想问一个关于生命遗传学的问题，一个途径，你通常必须在模型生物中工作，“但是有了CRISPR改变任何生物的DNA突然变得可能。”该技术催生了一股科学和生物工程见解、技术论文和应用的全球浪潮，一大批初创公司，以及成熟的科学、生物技术和生物医学公司的新部门CRISPR在农业、工业、能源、材料和其他领域产生的新型生物和进步包括，仅举几例：藻类用于制造富含可燃脂肪的新生物燃料[10]，一种使用更少水的啤酒酿造过程，因为fla vors来自CRISPR工程改造的酵母，包括薄荷和罗勒基因，而不是耗水的啤酒花[11]，羊毛羊[12]，白蘑菇由于基因编辑而保持白色，阻止它们随着年龄的增长而褐变[13]。“这是一项非常强大的技术。这是科学家现在控制遗传学的一个完整的工具箱，”Doudna说。“我们正生活在这种变革性的技术之中，这种技术将改变我们的世界，而且它将在不久的将来改变它。”在人类健康领域，这些转变可能是最迫切期待的，这项技术在全球数百万患有遗传性疾病的人中，预期特别高（图2），如β图二.镰状细胞病是一种先天性血液疾病，其特征是红细胞呈现异常的、僵硬的镰状，如图所示。随着最初有希望的结果，目前正在进行的临床试验正在使用CRISPR来操纵患有镰状细胞等图片来源：Graham Beards（维基共享资源，CC BY-SA 3.0）。地中海贫血和镰状细胞性贫血[14]，以及囊性纤维化，脊髓性肌萎缩[14]，以及数千种其他由一个或几个基因编码错误引起的疾病。CRISPR也可能为那些患有癌症或其他身体或精神疾病的人带来一些希望，这些疾病由一组更大的缺陷，相互作用的基因控制，首先是帮助梳理出贡献基因的作用，然后可能是减少疾病的严重程度或影响特定个体的机会。然而，这项技术并非没有已知的风险。它的编辑机制有时可以改变一个“脱靶”基因，这本身就可以引发癌症或细胞功能障碍。此外，当被引入患者体内时，对遗传密码进行精确剪切和粘贴的分子复合物可能引发潜在的危险，免疫系统的反应[3]。3. 首次批准的人体试验为了阐明安全性，在中国进行的基于CRISPR编辑的疗法的早期人体试验之一，去年秋天在《新英格兰医学杂志》上报道[15]，重点关注人类免疫缺陷病毒（HIV）感染的受试者，他们也患有一种白血病，他们将接受骨髓移植。为了获得“双重”治疗，研究人员计划使用CRISPR将一种已知的导致HIV免疫的基因引入捐赠的骨髓细胞中，然后将其植入患者体内。然而，由于该试验最终减少到只有一名患者的HIV感染没有改善，因此它只提供了一个受欢迎的，但试探性的安全检查。该手术在19个月内未导致明显的不良后果，在此期间对患者进行了监测，其白血病仍处于缓解状态[15]。其他使用CRISPR专门对抗癌症的努力，包括费城宾夕法尼亚大学的三名患者，似乎也耐受良好[2]。在去年开始的试验中，人们热切期待在2020年将CRISPR应用于人类健康的进一步尝试的结果在一项研究中，生物技术公司EditasMedicine（剑桥，英国）和Allergan（Parsippany-Troy Hills，NJ，美国）旨在纠正一种称为Leber先天性失明的遗传性失明在迄今为止的CRISPR人体试验中，这一项脱颖而出，因为该程序将其生物分子修复机制直接注入患者到目前为止，所有其他CRISPR试验都是在体外收获或捐赠的细胞中进行基因编辑然而，由于2019冠状病毒病（COVID-19）大流行的爆发，一些CRISPR相关的临床试验-以及许多其他临床试验[17]-已经停滞。3月底，CRISPR Therapeutics（瑞士楚格）报告说，它和它的合作伙伴公司Vertex Pharmaceuticals（美国马萨诸塞州波士顿）已经停止了在他们的临床试验中对受试者的进一步根据这家瑞士生物技术公司于2020年3月31日向美国证券交易委员会提交的文件，由于大流行导致床位和其他医院资源短缺，导致暂停。该公司办公室的关闭4. 聚焦COVID-19由于目前至少有一项人体试验被搁置，生物工程师们已经转向了应用CRISPR对抗大流行的新挑战。有几个值得注意的例子，P. Weiss /工程学6（2020）719研究CRISPR是否可以提供生物屏障，严重急性呼吸综合征状病毒2（SARS-CoV-2）（图3），另一个是利用CRISPR来改善COVID-19诊断测试。2018年，美国国防部高级研究计划局与斯坦福大学生物工程教授LStanley Qi[19]和儿科学教授David Lewis将CRISPR的天然抗病毒武器用于对抗人类新出现的和潜在的灾难性随着冠状病毒爆发的迅速扩大，该团队“迅速转向并应用我们的研究人员正在开发一种新型的杀病毒剂，它依赖于CRISPR，而不是其吹嘘的基因编辑能力。Qi绰号PAC-MAN（用于人类细胞中的预防性抗病毒CRISPR），分子对策旨在靶向和破坏病毒颗粒的基因组，并防止它们在已暴露的人群中复制。这些实验可能最终导致“由于在最初的实验中缺乏SARS-CoV-2的实验室菌株，Qi，LaRussa和同事通过制造病毒基因组区域的RNA拷贝并使用它们来“感染”人类肺上皮细胞的组织培养物来模拟SARS-CoV-2感染。为了测试该策略的保护潜力，他们用Cas 13 d与SARS-CoV-2基因组的合成RNA序列结合作为指导分子处理细胞。据4月29日出版的Cell报道，有针对性的反击使病毒成分的复制减少了49%至90%[20]。其他几个团体也在研究类似的策略[21，22]。斯坦福大学的研究小组已经开始在3级生物危害设施中测试其对抗SARS-CoV-2活感染的方法，并确定将CRISPR/Cas 13 d药物安全输送到动物上呼吸道和下呼吸道的适当方法。最终目标是将CRISPR/Cas 13d传递到人类呼吸道，作为预防或治疗病毒性呼吸道感染的一种手段，包括由冠状病毒或流感病毒引起的感染。刘易斯，医学博士和病毒免疫学该研究人员表示，该项目可能在2021年春季之前进行人体试验，尽管实现这一目标的可能性更大。美国CRISPR专家的其他团队一直在探索使用RNA切割Cas蛋白来创建快速且可能低成本的诊断测试，这些测试对传染性病原体，癌症DNA和其他感兴趣的目标具有高度敏感性和特异性[23]。5月初，美国食品药品 监 督 管 理 局 （ FDA ） 授 予 美 国 马 萨 诸 塞 州 剑 桥 市 SherlockBiosciences公司紧急使用授权，用于其设计用于医院实验室的大容量版本的测试，这是针对基于CRISPR的COVID-19诊断测试在这一努力的背后，是麻省理工学院、哈佛大学和相关机构的一组波士顿学术研究人员，他们成立了该公司，将这项技术商业化。将这项工作应用于COVID-19已经表明，他们的CRISPR系统在检测SARS- CoV-2时可以产生荧光信号。据该公司称，该测试在大约一小时内产生结果，并且可以在拭子或唾液中检测到少至100个病毒颗粒[24]。该公司还声称，该设备在2000次测试中表现完美，没有产生假阴性或假阳性结果。该公司还致力于将该技术应用于一种简单的妊娠测试设备，用于快速，即时诊断COVID-19。5. 道义顾虑从长远来看，CRISPR的力量如何应用于人类健康和福祉，特别是作为基因工程的推动者2018年11月，人们发现中国的一个小型研究团队悄悄地使用CRISPR修改了人类胚胎-一对双胞胎和来自不同家庭的第三个孩子-然后将它们重新植入他们的母亲体内，他们后来生下了三个孩子。正如这项工作所证明的那样，CRISPR提供了相对容易的改变和控制遗传性状的能力，通过编辑胚胎或卵子等成年生殖细胞来产生可以传递给后代的遗传修饰。正因为如此，许多人认为这项技术是一种道德上的，图3.第三章。与全球分子生物学研究一样，CRISPR正在加速与SARS-CoV-2（COVID-19冠状病毒）相关的基础科学研究，以及新型抗病毒药物和快速诊断测试的开发。HE：血凝素酯酶。图片来源：Scientific Animations（维基共享资源，CC BY-SA 4.0）。722P. Weiss /工程部 6 （2020）719对人类血统的道德威胁像“CRISPR婴儿”中编码的生殖系编辑然而，从极端的角度来看，批评者警告说，CRISPR可以促进优生学，即儿童可以被定制为具有或缺乏特定特征。2019年12月，中国深圳南方科技大学前副教授、该团队的领导者何建奎（音译）被判了最重的刑罚：三年有期徒刑和300万人民币CNY（约合42.5万美元）的法院还终身禁止这些研究人员参与人类辅助生殖技术服务和其他活动。CRISPR已经增加了科学家、工程师、伦理学家、宗教领袖、政策制定者和其他人在会议、学术文章和机构报告中关于人类生殖系编辑的对、错、风险和好处的讨论和辩论的紧迫性。但是，直到2018年11月，这种对话是在普遍同意的背景下进行的-在一些国家比其他国家更正式地承认[26]-这种编辑不应该进行-如果有的话-直到全球范围内对此事进行深入彻底的审查，并且可能建立一个对此事具有权威的国际机构。受到2018年事件的影响，世界卫生组织成立了一个新的委员会来重新审视这个问题，而美国国家科学院和医学院与英国皇家学会合作建立了一个国际委员会来做同样的事情。这些机构的报告预计将在2020年年中发布;美国国家科学院的一位发言人在4月初表示，其委员会的报告不太可能在6月之前发布。与此同时，3月3日，法国，德国和英国的三个伦理委员会发表了一份联合声明，阐述了他们对人类遗传基因组编辑的立场[28]，这三个国家和欧洲大多数其他国家以及韩国，澳大利亚，加拿大，墨西哥和巴西的法律禁止。引用[1] CRISPR therapeutics和vertex宣布了前两名接受研究性CRISPR/Cas9基因编辑疗 法 CTX 001® 治 疗 严 重 血 红 蛋 白 病 的 患 者 的 积 极 安 全 性 波 士 顿 ： VertexPharmaceuticals; 2019年11月19日[引用于2020年5月9日]。可从以下网址获得：investors.vrtx.com/node/27071/pd[2] 斯泰因河基因编辑的“超级细胞”在对抗镰状细胞病方面取得进展华盛顿特区：国家公 共 广 播 电 台 ; 2019 年 11 月 19 日 [ 引 用 2020 年 5 月 9 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.npr.org/sections/health-shots/2019/11/19/780510277/gene-edited-supercells-make-progress-in-fight-against-sickle-cell-disease。[3] 佩尼西湖 CRISPR热潮。Science2013;341（6148）：833-6.[4] 张文龙，王文龙，张文龙，张文龙.负责大肠杆菌中碱性磷酸酶同工酶转化的iap基因的核苷酸序列和基因产物的鉴定。细菌学杂志1987;169：5429-33.[5] 莫尔特尼湾你需要知道的关于CRISPR基因编辑的一切旧金山：连线; 2017年12月5日[引用2020年5月9日]。可从以下网址获得：www.wired.com/story/what-is-crispr-gene-editing/[6] Loureiro A，da Silva GJ. 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