CRISPR-Cas9

Source: yourgenome.org

基因编辑双胞胎出世的新闻刷了好几天。

看到好几个沉寂多时的科幻群科普群吵的很凶，以 CRISPR 为代表的基因编辑工具还被带上潘多拉盒子的帽子。

看到的观点大致分两派：

1）即使能免于艾滋病病毒的感染，也可能会产生其他问题。得小于失，我们不应该冒这个风险。

2）不见得能免除艾滋病，但是却用婴儿的健康打赌。违背伦理，根本不应该用这个技术预防艾滋病。

当然还有反对基因编辑这个技术的，认为不知天高地厚的科学家万一创造出自然界不存在的基因，混入人类基因库，那人类距离灭亡就不远了。也有看到支持这个技术的，说什么“生物科技本来就存在风险，难道靠药物维持生命就好”的言论。

然后我心里就挂着两个个大大的问号。

到底如何评价这次事件？如何看待这个新技术？（知乎体附身

1

作为一个离开生物界好久的人，不得不承认知识点早就还给老师了（惭愧。

不过走之前最后一年，有听说过 CRISPR 的大名，印象中是个很牛的技术。没想到这次事件引起那么大范围的讨论和恐慌。所以出于好奇，我给自己列了个题纲，希望先了解事件始末和技术原理，再下结论。

毕竟不了解清楚事件之前就存在的立场，可能是情绪化的产物。那是人类杏仁核的本能表现，未知所触发的恐惧。

先说我们听得比较早的基因工程。

自从人们意识到，每一个功能蛋白的表达背后都是一个基因说了算之后，大家开始希望通过基因层面的改变，可以获得原本没有的功能或性状，或者是扔掉对于我们而言有害的性状。

基因工程，可以通俗地理解为，采用生物学手段，在基因水平上改变一个生物体的遗传信息。

本质上，做的事情和孟德尔爷爷杂交豌豆并没有什么不同。

只不过孟德尔爷爷是采用了杂交方法，也就是基因重组，才使得子代豌豆同时获得父母的性状。豌豆不同性状的背后，是不同的基因。

而这个不同，来源于自然界中 DNA 复制出错（基因突变）。

而基因工程后获得的新性状，其遗传信息是人为添加到生物体内的。并且这个外源基因是来自于另外一个物种。

让大多数人害怕的点就在这里。

跨物种的外源基因添加到某种生物体内后，会不会造出什么妖魔鬼怪，会不会超出人类控制范围，人类会不会因此灭绝等等。

问题是，不管你是自然界突变之后来的，还是从别的物种里提取的，对于生物体本身而言，一概是外源基因。

外源基因融合到了原有基因组中后，生成怪物的几率，并不会因为外源基因的产生方式而改变。

打个不太恰当的比方。

来自不同世界的两个人，或者说一个异类闯入了一个群体，这个异类能存活下来就很不容易，如果还能发挥出原先世界的社会功能那已经相当理想。

但要指望这个异类一下把整个原来群体的环境洗牌，使得全员 upgrade 变成更强大的群体。不能说这种可能绝对不存在，但肯定需要时间和变异的积累。

尽管基因工程所担心的后果暂时是个未知数，但带来的便利却切实存在。

比如海洋生物里才有的绿色荧光蛋白 GFP ，通过腺病毒转导到小鼠的大脑里，就能用来标定特定的神经元，用以观察活体神经元的生长状态。

海马里的 DG and CA3 区域

Source DOI:10.7554/eLife.36664

还有更多生物体的功能被转基因工具增强，比如抗旱的花生，帮忙生产胰岛素的大肠杆菌。用现在AI圈流行的话讲，这相当于给生物体赋能。

除了往生物体里加功能的，当然也有操作是想办法让某些功能消失的。比如 RNA 干扰，同源重组。比如说，制造出某种基因敲除的动物模型，用以研究这个基因的功能。

总的来讲，基因工程的结果无非是增减生物体的功能，体现到基因水平上的改变为基因的插入、删除、替换。

不过，在基因编辑以前，上述的几种基因工程方法操作非常粗矿。

要么，外源基因是被随机地插入原有的基因组中。因为人们应用的诉求很简单，只要获得想要的性状。也就是这段外源基因表达出来就好了。至于这段基因插在哪，不重要。

要么，敲除基因的话修改位点够准，但费时，成本高（比如同源重组），有些方法的有效期还短（比如 RNAi ）。

直到出现了 CRISPR-Cas9 ，人们才大范围地低成本精确定位到修改位点（ CRISPR之前还有另外两个基因编辑方法 ZFN ，TALEN ，暂不展开）。

换句话说，就是基因修改的效率大大提高了。

如同能量的利用进程——从蒸汽时代到电力时代，能量可以被精确地切割成更小的单位，使得能源利用效率大幅提高。

这肯定是件好事。

CRISPR ，全称是常间回文重复序列丛集，相当于细菌防御系统，用于识别再次入侵的病毒。而这段序列，其中有一段长度为20个核苷酸左右，是细菌苦心从入侵过的病毒身上抠下来的片段。

除了这个片段，细菌的防御还需要一种可以精准剪切的核酸酶Cas9来配合。你可以把Cas9看成一把剪刀✂️。

依照细菌留下的这一小戳病毒的片段作为模板，造出「引导RNA」。再把这段引导RNA内嵌到剪刀Cas9蛋白的凹槽里。

此时，Cas9相当于拥有了一张病毒身份识别卡。一旦发现有谁能躺进凹槽里与引导RNA纠缠不清，Cas9就会咔嚓把这个病毒（or嫌疑犯）的双螺旋链给剪了。

Genome Editing with CRISPR-Cas9

Source: McGovern Institute for Brain Research at MIT

劫持细菌任务失败，病毒领盒饭遗憾离场。

科学家看中Cas9剪刀的本事，希望用它进一步精准操控基因改变。于是，CRISPR-Cas9晋升成了强大的基因编辑工具。

但这个CRISPR-Cas9有个天然的bug：Cas9剪切的触发条件比较宽松。说具体些，就是大致能和gRNA这张卡匹配的DNA片段，都会Cas9蛋白被剪断。

对于要活命的细菌来说，外侵的病毒，宁肯杀错，也不能放过。「差不多像就剪断」没毛病。

但用在我们基因编辑里，这种「差不多」会引发天下大乱。

因为有些非特异性的片段，也就是序列相似的非目标片段，也能结合上引导RNA，最后惨遭剪刀毒手。剪错在非编辑序列上好说，不算捅篓子。但如果剪错在功能基因上，那原来的功能肯定失常。后果将不堪设想。

所以，科学家都在努力地降低CRISPR的脱靶率。

努力的方向大致有三个:

1）重新设计引导RNA序列，减少和非靶向序列匹配的可能；

2）把Cas9的结合环境改得更严格，或者只能剪一条链；

3）一段时间后加Cas9结合的阻断剂，减少结合时间，减少错配。

举个2）的例子。

2015年11月底，张峰团队在《科学》上发表了一种降低脱靶方法：把剪刀Cas9蛋白凹槽里的正电氨基酸替换成中性的氨基酸。

由于DNA带负电，一旦凹槽结合位点的氨基酸改成中性的Cas9后，可以排除不必要的非靶向结合。实验结果表明，采用这个方法，脱靶现象已经降低到检测不到的水平。

但检测不到，不意味着没有发生脱靶。或即使检测出来的结果显示发生脱靶，也无法证明真的脱靶了。

这两句看起来滴水不漏的废话，实际上是现有的脱靶检测技术的锅。技术水平不够，无法摆脱假阳性、假阴性问题，所以只能停留在实验室阶段。

这才是国内外科学家强烈反对这次基因编辑婴儿事件的主要原因。大部分人认为这项技术的安全条件根本不够，时机不成熟，根本不能应用到人身上。

边查维基，边想起高中生物老师的脸。必修1知识重新历历在目_(:з」∠)_

艾滋病是一种获得性的免疫缺陷病。

其致病原是HIV病毒，被感染的人体内的免疫细胞（T细胞、巨噬细胞、树突状细胞）会被HIV病毒识别并攻击，导致人体免疫能力下降。下降到一定程度之后，人体丧失免疫能力，最后容易死于普通炎症或感染。

艾滋病发病以前，很多人并不知道自己携带了艾滋病病毒，照样正常生活。

即使知道自己是携带者，只要防护措施得当，也可以像普通人一样拥有家庭。比如这次双胞胎的父母，爸爸是携带者，但妈妈是正常人。

现在治疗艾滋病的手段，主要是华裔科学家洛克菲勒大学教授何大一发明的鸡尾酒疗法，原理是阻断艾滋病病毒在体内复制组装的过程，从而减缓病毒的扩散，尽可能维持免疫细胞的数量和功能。采用这种方法，可以有效延缓携带者的发病期。

不过，携带者必须终生服药，而且剂量比较难控制。

剂量低了，无法抑制病毒复制；剂量高了，有副作用。加上艾滋病病毒不断演化，会不断对现有药物产生抗药性。现在这种治疗方法，只能是让人体和病毒“友好”共存，还不能达到清除病毒的目的。

所以，科学家们还在继续寻找更好的根治方法。

HIV 病毒入侵免疫细胞，需要门卡。其中一种主流的门卡，是免疫细胞膜上的受体蛋白 CCR5 。

这个 CCR5 就是这次基因编辑婴儿被修改的基因位点。原理正是废了门卡，把病毒挡在外面。

科学家们怎么知道要废这张门卡？

大家一开始也没有上帝视角。直到有人注意到，有一些北欧性工作者虽然携带着病毒，却一直没有发展成艾滋病。科学家继续往深了追，才发现这部分人的CCR5基因骨骼清奇，比正常人的少了一截（32个碱基）。后来，就把这类型命名为 CCR5∆32 。

根据基因组数据追溯到，部分高加索人携带 CCR5∆32 基因，他们不仅可以有效地抵抗艾滋病病毒的感染，其他生理功能也都表现正常。他们身体很健康，和普通人没什么区别。

这一发现给艾滋病的根治带来了新的希望。

有一美国人 Timothy Ray Brown ，非常不幸身患两种绝症：白血病和感染了HIV病毒。2007年，为了治白血病，他在德国柏林夏洛特医院接受了骨髓移植治疗。

碰巧，他的临床主治医生 Eckhard Thiel 发现，60个骨髓匹配的捐赠者中正好有一个人带有 CCR5∆32 基因。考虑到 Brown 的情况——也感染了艾滋病，专攻血液学和肿瘤学的 Thiel 就有了个大胆的想法：反正都能治白血病，不如试一下用 CCR5∆32 基因的骨髓。

幸运的是，术后 Brown 体内的 HIV 病毒量就开始下降！停了鸡尾酒疗法三年后，他体内已经检测不到任何 HIV 病毒！

Brown 成为了第一位感染 HIV 病毒后痊愈的病人。

尽管这次骨髓移植治愈 HIV 病毒的效果显著，但是对于没有患白血病的 HIV 携带者来说并不能随便进行骨髓移植。因为捐赠者的骨髓里有白细胞，会认为患者是异体从而发起攻击，造成 GVHD 反应（全称是移植物抗宿主病）。

而要找到骨髓匹配且有 CCR5∆32 的概率很低，所以这并不是个可大面积推行的方法。但 Brown 的病例却启发了医学界。人们意识到，通过基因层面的改变，完全有可能根治艾滋病。

七年后，宾大 Carl H. June 教授团队成功将HIV感染者体内的白细胞 CCR5 基因改成 CCR5∆32 ，然后再把这些人工剪切过的白细胞放回他们体内。结果检测到他们体内的病毒量在逐渐下降，甚至部分人身上已经检测不出病毒。

这些成功案例加起来，都说明 CCR5∆32 清除 HIV 病毒可行。

2

搞清楚了这次事件相关的知识点之后，我再到处翻了翻这次基因编辑婴儿事件大家争论的几个角度。

反对的声音大概有：

1）不应该使用基因编辑技术。尤其不能用在人身上，拉大了贫富差距怎么办，人的基因库紊乱怎么办。用在婴儿上更加是罪不可赦，这两个孩子长大身体出现不可预测的疾病怎么治，怎么可以用婴儿的未来健康作赌注；

2）现在不能用到人身上，技术还没有成熟，脱靶检测技术还不够硬，结果不可信；

3）这个实验用在预防艾滋病上完全没有必要，婴儿都是健康的，而且感染HIV病毒的几率那么低，即使以后感染上了也可以靠药物控制的，为什么要为了微乎其微的预防收益去冒这么大的风险。根本不是什么为了科学进步的实验。

简单说，反对的点主要有三方面：技术；对象；目的。

最后一点是可以接受技术使用范围，也伴随着对时间，空间限定的讨论。应不应该是现在，以及是否应该只在体细胞上编辑，而不要动生殖细胞。

这些反对观点其实回答的问题是：

1）这个技术该不该用？

2）能不能用到人身上？

3）用于解决什么问题才合理？

在挨个分析这些反对论点以及支撑它们的论据以前，我们需要一张图镇楼。

这个图叫 Hierachy of Disagreement ，反驳金字塔，由被 CS 耽误的画家 Paul Graham 提出（Paul Graham也是美国著名创业投资公司 Y Combinator 创始人，YC 的新闻网站 Hacker News 是访问量最高的技术新闻来源之一）。

所以这次贺建奎这次拿婴儿做基因剪辑实验的事件里，那些「就是想出名想疯了」、「贺建奎是7家公司的股东、6家公司的法定代表人，说他是学者倒不如说他是个商人」之类的评价，完全没有讨论到基因编辑这个实验本身。

也有部分媒体翻出了贺建奎的过往，但这同样与实验本身无关。从物理转到生物，开了很多公司如何能证明这次基因编辑事件是错的？

说回前面最关键的三个问题。

基因编辑这个技术，我们前面分析过了，是一种高精度的基因修改工具。

它是治疗基因遗传病的希望，也帮我们加快研究基因的功能，应用层面可以给生物体的功能加减或增强减弱。一个提高了生物学界研究治疗应用效率的工具，即使出于某些原因被禁止，也不过是减慢了历史进程而已。

至于反对这个技术的原因，担心“乱”组合会不会造出什么可怕生物，也有担心物种基因库被污染之类的想法。

其实，自然界里基因的变异一直在产生。这些变异，与人为制造的变异，对本体的基因来说都一样是外源的，并没有区别。至于外源基因的命运，是被清除掉，还是害得个体挂了，或相安无事，或变成更强大的物种，只能交给概率去决定了。

还有人担心技术虽然是中性的，但落在devil手里全人类就完蛋了。

这里的关键在于怎么预防devil，而不是直接把这个工具禁掉。就算禁止，也总有人会想办法获取到，到时获得成本更高，反而变成好人手里没有这个工具。只怕到时连好人连对抗的资本都没有，力量失衡，世界万劫不复。

既然人类存在着需求，要研究人身上的基因，要治疗人的基因遗传病，那这个工具是早晚都会用到人身上的。只是看什么时候了。

像这次基因编辑婴儿事件，学术圈抨击的最多的是：脱靶率的检测问题还没有彻底解决，无法判断对其他非靶向的正常基因影响有多大。

不仅如此，由于编辑工具 Cas9 发挥剪切作用的时间滞后，即使注射时期是单细胞，整个胚胎也很有可能只有部分细胞被编辑了。至于那些没被编辑到的细胞，会不会正好属于未来会发育成免疫细胞的外侧中胚层？

这个问题也无法回答。

还有，虽然我们上面讨论过免疫细胞带 CCR5∆32 基因的话，是可以有效阻止 HIV 病毒入侵的。但贺建奎修改后的基因是 CCR5∆32 吗？正好敲掉了32个碱基吗？

根据果壳整理的贺建奎公开演讲，他只提到了观察到其中一个靶点确实了6kb个碱基，解释说「还好CCR5这个基因和旁边的基因离得比较远，所以丢失了6千个也不会影响下个基因」。（手动问号脸？？？？？大哥您扔32个和6千个是不是差得有点多？？？

也就是说，改完之后根本不是 CCR5∆32 ，至于能不能起到同样的预防感染效果，是个未知数。

脱靶检测技术还不够完善，相当于不能排除基因改错地方的可能；被编辑的细胞不一定是未来会发育成免疫细胞的中胚层细胞，无法确定基因改在了对的地方；不能控制基因修改后的结果，居然能少出几千个碱基来，不能保证同样有用的预防感染的效果。

改的哪个细胞，不好说；基因改的位置，不确定；基因改成什么样，也不可控。请问这些都不确定你开展什么实验？（还居然用到了人体？还用到了婴儿身上？？？这才是真正的作死啊

这三点任何一项，都代表着这两个孩子未来的健康存在着巨大的隐患。这个才是这次基因编辑婴儿事件最严重的问题。

上述的每一点，都应该是上到人体实验以前，必须要攻克的技术问题。在这些问题没有解决就拿人做实验，是拿别人的一生健康作赌注。是个人都会愤怒。

可惜时间不能倒流，毕竟现在孩子已经出生了，她们父母能做的也只有密切关注，发现问题的话早日定位出事的基因位点。看有没有可能改回来，或者后期制定针对的基因治疗方案。

而我们也只能选择完全忘记这对婴儿，因为更多的好奇或关注对她们来说都是一种加害。

但科学界早晚得回答一个问题。

能用在人身上的标准是什么？再问细些，得等技术发展到什么程度，具体哪几个问题解决之后才可以开始用在人身上？

这次贺建奎被diss的很严重的还有一点，「用基因编辑预防 HIV 病毒根本没必要」。

前面也有简单介绍艾滋病和 HIV 病毒。

尽管鸡尾酒疗法已经能很好地控制病毒数量，但是对于携带者来说，还是得终生服药。而且剂量很 tricky ，用药方面也需要担心病毒迭代的问题。只能和病毒共存，不能完全治愈。这显然不是解决这个问题的终极方案。

找出更高效，成本更低的方案对所有人来说都是件好事。

所以我不认为问题出在尝试用新的技术解决已有的疾病。如果基因编辑能解决上一小节所说的安全性问题，确保修改位点的精准，那基因编辑能 once for all 地解决 HIV 病毒，不是更好吗？

反过来说，在那三个问题没有解决以前，用在任何疾病的治疗上都是错的。即使是本来就带有遗传病的孩子。

不少声音说，「这双胞胎本来很健康没病，不应该用来当实验品，承担技术未知的风险，还不如用在本身有遗传病的孩子身上，这样还合理一些」。

如果真的这么做了，也只是错的程度看起来少一些而已（评估标准是风险还是那些，然后收益可能会大一点）。但底子上，从科学实验的角度来讲，还是错的。

除了用于治疗之外，肯定也有人想用基因编辑增强自己的能力。

在油管发布的视频里，贺也提到了，只会把这个技术用在治疗疾病上。这几天相关文章的留言也提到了很担心贫富差距加大的问题。

但这里探讨的实际上就是技术应该使用的范围，边界在哪里了。

如果人类发现有个基因的功能是能让人变得更聪明或者变美，那希望自己或自己的孩子变得更聪明漂亮的人可不可以购买这个增强智力的服务？做这个手术合不合理？

人的欲望是个强大的驱动力。

即使公众觉得不合理，有资源的人肯定也在做了。所以这个是挡不住的趋势。没有这个技术以前，贫富差距也在。差距的产生或加速，怪不了这个技术，而是多代人的智力财富付出的积累速度差造成的。我们能努力的只有做好我们自己这一代。

技术，本质上是解决问题，相当于给他人服务。

从服务的角度讲，只要双方自愿，没有伤害到别人，那么交易都没有理由被禁止。至于交易本身可能不符合一部分群体的想象，然后某段时期内顺应min意被法律法规明面禁止，结果无非是转到地下。

发展规律，挡不住的。

3

这一个星期以来，都在密切看各家大号对于基因编辑的文章，也翻了些资料。觉得丁香园和果壳最良心，尽可能还原事情原貌，接近事实真相。不迎合大众踩低或人头以往的背景，而是深挖技术原理，从科学的角度评论这次事件，更客观理性。是我尊敬的媒体的样子。

最后，总结一下据目前信息推演出的结论。（当然如果出现新的信息的话，观点也有可能evolve

基因编辑这个技术很牛逼，是个革命性的高效率工具。造出弗兰肯斯坦的概率非常低。早晚会用到人身上，但是什么时候才能用这个准绳还在等科学界的回答。技术应用范围不会限于疾病治疗，贫富差异早就存在，这是自然规律。

很担心基因编辑会因为这次事件蒙上阴影。担心以后大家一提到这个词都是恐慌。希望大家能区分开来，这个技术的好坏未来，和科学界讨伐这次事件完全是两回事。

更希望，到时的基因编辑技术可以强大到，弥补这次事件可能给两个孩子造成的错误和伤害。

参考资料

CRISPR：https://dwz.cn/jqo8ebwG

如何改善脱靶效应：https://dwz.cn/v1AHuJmE

国外对基因编辑婴儿事件报道：

http://t.cn/ELnOtm7

http://t.cn/ELnO6pt

孙永涛等.趋化因子受体CCR5及CXCR4在HIV_1感染中的作用.[J].细胞与分子免疫学杂志,2010,26(5):508-510.

基因突變，抗愛滋利器：http://t.cn/ELnO9gB

宾大医学院再次实现基因疗法治愈艾滋病：http://t.cn/ELnOO1U