生命编码背后的故事（圆五）
2019年7月2日，34岁的格雷（Victoria Gray）专程来到美国田纳西州一家医院，接受那里刚刚开启的镰状细胞贫血症治疗试验。她在还是三个月的婴儿时就表现出这个疾病的症状，已经深受其害30多年。
护士在格雷手臂上抽取血液。医生随后从中提取造血干细胞进行CRISPR-Cas9基因编辑。基因被修改好的细胞又重新被注入格雷的身体，制造新的血红细胞。那是贺建奎在香港造成轰动的半年之后。CRISPR-Cas9基因编辑作为医疗手段正不引人注目地进入正规的人体试验。格雷是其第一位病人。
镰状细胞贫血症早已有之，但在1949年最早被鲍林认作“分子病”。正常人的血红蛋白呈圆球形。格雷和其他患者体内血红蛋白的氨基酸长链出现错误，其中一个谷氨酸分子被替换为缬氨酸。这个细微的区别使得整个蛋白质分子折叠成与圆球大相径庭的“镰状”，无法有效地在血液中输送氧。它们还经常堵塞毛细血管（见《卅七：遗传疾病》中插图），使人痛不欲生。病人不仅需要大量服用止痛药，还不得不经常性地接受输血或骨髓移植以获取正常的血红蛋白缓解症状。
这个分子病背后的原因是编码血红蛋白的基因发生变异，其中应该是腺嘌呤（A）的一个碱基被胸腺嘧啶（T）取代。这个生命编码的一字之差令世界上四百多万病人饱受摧残。不过也正因为这仅仅是单独一个碱基的差错，它也是基因编辑技术初试牛刀的最佳对象。
当格雷在几个月后回到医院复查时，她兴奋并紧张地告诉医生自己一直没再需要输血，也没有感受过症状来袭时的那种痛苦。医生验血后证实格雷体内高达一半的血红蛋白属于正常的红血球，已经足以让格雷人生第一次过上无忧无虑的平常日子。那自然是基因被改正的造血干细胞的功劳。近一年后，格雷体内制造正常血红蛋白的造血干细胞数目已经高达81%。按照医学标准，格雷的镰状细胞贫血症已经被治愈。
格雷参与的人体试验使用的产品由两家小公司联手开发，其中之一正是沙尔庞捷十年前在瑞士创办的“CRISPR疗法”1公司。格雷并非试验中的特例，参加试验的绝大多数病人都已获得治愈的优秀效果。同时，这个疗法也适用于β-地中海贫血症。那正是克莱恩在1980年代初一意孤行试图用那时的基因工程技术救治的另一种血液病。
2023年11月16日，英国政府机关率先批准这一疗法，标志着CRISPR-Cas9首次进入实用医学。美国食品药品监督管理局的专家委员会也已经审查通过，正式的批准指日可待。在杜德娜和沙尔庞捷发表CRISPR-Cas9论文11年、赢得诺贝尔奖的三年后，基因编辑时代悄然而至，没有贺建奎曾经梦想过的戏剧性。
格雷经历的基因编辑没有在她体内的细胞中进行。接受编辑的只是抽取出的造血干细胞，整个过程在身体之外的实验室环境中完成。那也是血液病的方便之处。血红细胞只有100来天的寿命，需要造血干细胞源源不断地补充新鲜血液。所以，在体外修改好基因缺陷的造血干细胞回到体内后能在短时间内推陈出新，有效地取代原有的病态镰状细胞。这样的基因编辑因而安全可靠。CRISPR-Cas9的剪刀不会触及病人体内的任何其它细胞，更何况事关重大的生殖细胞。编辑完毕的造血干细胞在植回病人体内之前还可以核查质量，确保编辑的效果和没有无意中造成多余的基因修改。
还在格雷参与试验的一年前，另外一个基因编辑的人体实验项目也已经开始，试图通过修改病人基因治愈他们的“汉特综合症”（Hunter syndrome2）。那是第一个真正在病人体内实施基因编辑的医疗步骤。不过他们使用的不是流行的CRISPR-Cas9，而是更早出现的“锌指核酸酶”（Zinc-finger nucleases）基因编辑方法。
针对不同疾病的更多基因编辑人体试验也正在井然有序地进行中。它们之中包括当年赛珍珠女儿患有的苯丙酮尿症（PKU）和徐立之与柯林斯率先找到突变基因的囊性纤维化等病症。在镰状细胞贫血症的基因编辑治疗获得批准之际，人们可以期望越来越多的基因编辑医疗手段在未来几年里陆续上市，为成千上万的病人解救痛苦。
不过作为第一代基因编辑工具，锌指核酸酶、CRISPR-Cas9等同类手法在技术上也还过于粗糙。它们必须同时切断DNA的两根长链，剪除其中的错误碱基分子然后由细胞重新修复DNA的链接。这一连串繁复的步骤只为修改碱基序列中的一字或几字之差，未免有点小题大做。正如贺建奎的前车之鉴，CRISPR-Cas9难以保证编辑结果的准确可靠。
长江后浪推前浪。CRISPR-Cas9问世仅三年后，张锋在布罗德研究所的同事和朋友、华裔分子生物学家刘如谦（David Ruchien Liu）团队已经发明出不需要剪断DNA长链而直接在其中替换单个碱基对的“碱基编辑”（base editing）技术。四年后，他们又再接再厉将之推广为能够同时搜寻、改正多处单个碱基对的更新版“先导编辑”（prime editing）。这个新一代的基因编辑技术犹如在计算机上使用文字编辑软件修改文章那样从容自在地修改谱写生命编码的碱基，灵活性和准确性都大为增强。
日前，第一个运用碱基编辑技术的一期人体试验的结果也在美国揭晓。它通过修改人体肝部一个控制体内“低密度脂蛋白”（low-density lipoprotein）含量的基因使其失去效用。低密度脂蛋白即所谓“坏胆固醇”3，是引发心脏病和中风的罪魁祸首之一。多数参与试验的病人在接受药物注射后体内低密度脂蛋白含量显著下降。不过试验中也有两位病人心脏病发作，一人死亡。其具体原因尚不明朗，有待后期更广泛的人体试验。
刘如谦对新一代的基因编辑技术充满信心。历经几十年不辞劳苦的遗传追踪，遗传病的基因根源已经普遍被人类掌握。但在已知的七万五千多种遗传疾病中，能像镰状细胞贫血症那样运用CRISPR-Cas9或其它第一代基因编辑手法进行修正的其实屈指可数。刘如谦相信碱基编辑和先导编辑技术可以尽显身手。他大胆地预测多达89%的遗传病将通过这些新手段被治愈。
基因编辑的治病救人也不限于对人类自身基因的修改。2015年，哈佛大学的丘奇与他来自中国的学生杨璐涵（Luhan Yang）共同创立一家公司，旨在将基因编辑技术应用于猪的身上。他们的目标不是增加猪肉的产量或质量，而是从猪身上获取人类急需的器官。
器官移植在20世纪后期已经成为医生救治危重病人时的常用手段。从肾、肝、心等重要内脏到皮肤、眼角膜等组织在因伤损害或因病衰竭时都可以通过移植他人的健康器官作为替换，为病人带来新的生命。无奈人类器官的来源极为稀缺，以至于相当一部分病人只能在苦苦等待合适器官的到来中死去。如果人类可以利用动物的器官，那无疑会为无数病人带来莫大的福音。在各种哺乳动物中，通常不被人看重的猪恰恰是最佳选择。
器官移植的最大障碍是人体内时刻警觉外来生命威胁的免疫系统。移植的器官来自他人，在免疫系统看来正是一个巨大的入侵物，必倾全身之力歼灭之。一旦移植的器官遭到免疫系统排斥，病人通常会在免疫系统的过度反应中死亡。于是，医生在器官移植时只能精心选择与病人匹配的器官捐献者，同时还必须用药物抑制病人的免疫功能。
来自他人体内的器官尚且如此，利用来自动物的器官更会让人体的免疫系统如临大敌。“异种移植”（xenotransplantation）因而不过是医学界一个由来已久的美丽幻想。但丘奇和杨璐涵在他们创办的公司里养殖的不是一般的小猪。它们的基因经历过多次CRISPR-Cas9编辑。与mRNA疫苗协助人类免疫系统识别病毒和癌细胞正相反，基因编辑将小猪基因组里能够触发人类免疫系统的蛋白质基因逐一剪除。同时被去除的还有猪基因组中保存着的几十种对猪无妨但对人可能有害的病毒基因。这样的小猪器官不再有会被人体免疫系统视为异己的目标，可以安全地移植给病人。
目前，美国已经有两位身患绝症的自愿者先后接受经过基因编辑的猪心脏。他们的免疫系统没有当即排斥这个异种器官。只是好景不长，两位病人在手术后都只存活了几个月，还是在免疫系统的反应中去世。
异种移植的技术开发仍然任重道远4。
在历史悠久的冷泉港实验室，植物学家李普曼（Zachary Lippman）关心的倒确实是人类食物的产量、质量和品种。他在那里精心培育自己从野地里搜寻到的果树。其中一种野西红柿的果子不过蓝莓般大小，没有经济价值。但李普曼知道那其实正是西红柿的原始状态。几千年前，人类的祖先开始种植这样的野果，通过精心选种育种逐渐培育出今天大如拳头、果实饱满甜美的西红柿。那是西红柿在人为干预和选择下的进化成果。
通过两种西红柿外在性状和内在基因的比较，李普曼可以追溯这个人为选择的路径。他更可以对野生西红柿实施基因编辑，直接将它们的基因修改成适合人类需要的状态。这样，原始的野生西红柿可以毕几千年之进化于一役，摇身一变成为现代人熟悉的西红柿。
当然，李普曼的用意不在于重复西红柿已经完成的进化历史。运用基因编辑手段，他既可以促成西红柿更进一步的“进化”，还能让其它野生植物也同样地一蹴而就，在短短几代的更替中完成西红柿的进化历程，成为人类餐桌上的美食。
现代人类食用的谷物、蔬菜、水果种类繁多琳琅满目，却也还只是大自然丰富多彩的植物中很小一部分。李普曼在冷泉港种植的野果中有一些营养丰富的美味，只是因为生长周期长、产量低等缺点在人类的选择中败下阵来。通过修改相应的基因，他希望能让这些具有独特营养和味道的野果加入西红柿的行列，丰富人类的食品选择。
那将是人类自农业革命以来驯化、选种育种、杂交到转基因之后的又一次技术飞跃。
就治病救人而言，最好的方法无疑是防患于未然。加州大学欧文分校的詹姆斯（Anthony James）因而时刻为人们日常生活中不厌其烦的蚊子操心。嗡嗡不止的蚊子不仅吸人血液、打搅人们的休息，更是很多严重传染病的传播者。疟疾、西尼罗河病毒、登革热（dengue fever）等病毒寄居在蚊子体内，趁其吸血时侵入人体，让无以计数的人们患病、死亡。为了减少危害，人类屡屡兴师动众地灭蚊，以清洁环境、喷洒农药等方式大动干戈，却收效甚微。
不过蚊子并不传播所有的传染病，最常见的流感即与蚊子无关。那是因为蚊子体内有着针对流感病毒的抗体，使之无法生存。詹姆斯研究的课题是以修改基因的手段在蚊子体内植入产生针对疟疾等病毒抗体的基因，让这些病毒也与流感病毒一样无法在蚊子体内存活，由此断绝疟疾及其它传染病的传播途径。
在21世纪的今天，这不是一个很困难的操作。詹姆斯在老鼠体内找到合适的抗体，顺利地将其基因植入蚊子的DNA。基因被修改的蚊子果然不再能够传播疟疾。只是传播病毒的是生活在大自然中的蚊子，他不可能将之逐个捕获来修改基因。这是一个在人类自身或人类专门养殖的猪、培育的野果中实施基因编辑所没有的难题。
一个可能的途径是在实验室里尽可能多地养育经过修改过基因的蚊子然后放生，让它们在与野生蚊子交配时将自己被修改的基因传递给下一代。如此代代相传，野生的蚊子会逐渐获取产生疟疾抗体的基因。
遗憾的是这个朴素的想法与遗传学规律背道而驰。相对于野生蚊子，人工修改过基因的蚊子在数目上不过沧海一粟，与自然界偶尔发生基因突变的蚊子不相上下。达尔文当年正是由基因的变异看到物种进化的来源。但他在《物种起源》出版不久即遭遇苏格兰工程师詹金的强烈质疑。詹金认为极少数个体身上的变异会在它们与正常个体交配繁衍时因为“混血”被稀释而消失。达尔文没能有效地反击詹金的批评。这个遗传之谜还是由孟德尔同时期但被忽视的豌豆实验得以破解。
孟德尔在豌豆中发现一颗豌豆会同时继承分别来自父体和母体的遗传因子，亦即基因。它们不会像血液那样融合，却更像物理学中的量子那样保持各自的完整性。即使是在第二代中未能显现的隐性因子也依然存在着，还会在第三代中以特定的比例再度出现。因此，基因变异不会在传宗接代中完全消失，可以持续接受自然的选择。孟德尔的遗传定律由此为达尔文的进化论奠定科学基础。
反过来，自然界未经修改的原始基因也同样不会因为野生蚊子与实验室出来的蚊子交配繁衍而消失。它们的子孙后代不可能百分之百地拥有被修改的基因。这样，自然界的未经基因编辑的蚊子仍然会占据绝大多数，继续传播疟疾为害人类。
生物学家自然对这个必然的结果了如指掌。孟德尔定律的根源是后代体内分别来自父母的基因势均力敌，各有50%的发言权。要让某一方的基因胜过另一方，该基因必须拥有某种超越自然的模式取代来自“配偶”的基因。早已有生物学想象这种违反孟德尔定律的能力，美其名曰“基因驱动”（gene drive）。那样的基因像带有发动机的车子，可以积极主动地超越对方消极被动的基因。从实验室出来的蚊子只会在带有基因驱动时才可能让自然界所有蚊子通过遗传获得杀死疟疾等病毒的基因。
当然基因驱动一直只存在于某些生物学家一厢情愿的暇思之中。不过距离詹姆斯不远，加州大学圣地亚哥分校的研究生甘茨（Valentino Gantz）在2014年却发现一个利用CRISPR-Cas9实现基因驱动的途径。他在那里学习曾经让摩尔根对孟德尔定律心服口服的果蝇，也正对炙手可热的基因编辑兴趣浓厚。
经过伊尼克简化的CRISPR-Cas9在切割DNA时主要采用两个部件：剪切DNA的酶Cas9和引导这把大剪刀找到既定切割点的向导sgRNA。这些和其它所需材料由操作者事先设计准备，再以药物形式注入被基因编辑的生物体。甘茨在研习这项新技术时突然灵机一动：授人以鱼不如授人以渔。
Cas9和sgRNA分别属于蛋白质和核糖核酸（RNA），都是细胞有能力生产的有机大分子。与其直接供给这些分子，不如直接将它们的编码植入细胞的DNA，让细胞自己生产这些材料。如果将这些基因植入果蝇，它们携带的便不只是基因编辑的结果，还有整套制作基因编辑工具的蓝图，可以“自主地”制造并实施CRISPR-Cas9基因编辑，再无需人类插手。
这样的果蝇与其它正常果蝇交配产生受精卵时，不仅它自己的基因会完整地传递给下一代，其基因产生的编辑工具也会同时去编辑来自“配偶”的那另一份DNA，使之与自己的基因完全一致。这个过程还会在每一代的交配繁衍中重复进行，保证子子孙孙都带有同样的基因和基因编辑工具蓝图。甘茨把这个过程命名为“诱变链式反应”（mutagenic chain reaction）。像原子核裂变中产生的中子不断地引发其它原子核的裂变一样，自带基因编辑工具的生物体会持续改变它们后代的基因，最终将导致所有的后代具备同样的基因。
那正是想象中的基因驱动。单独一次基因编辑的效用可以由个体走向群体，乃至遍布整个物种。
甘茨的导师比尔（Ethan Bier）听到学生的这番见解极为震惊。他们急忙按照防止有害病毒泄漏的标准改装整个实验室保证试验中的果蝇不至于脱逃。因为这个试验如果成功，一只这样的果蝇逃出实验室与野外的果蝇交配，即可以改变整个果蝇物种的基因构成。在十分小心的条件下，甘茨果然在实验中证明自己奇葩想法的可行性。孟德尔发现一个多世纪的遗传定律第一次被人为破坏。
詹姆斯听到比尔的介绍后也当即领悟到自己梦想成真。只要在实验室里对蚊子如法炮制，使之具备产生疟疾抗体的整个基因编辑蓝图，它们回到大自然与野生蚊子交配时便能克服孟德尔定律的限制，让所有野生蚊子都获取杀死疟疾病毒的能力。如此，人类根绝这个和其它更多的可怕传染病应该为时不远。
不过，基因驱动的运作实在非同小可。这是一个能够彻底改变整个物种状态甚至生死存亡的技术。试想，如果植入蚊子的基因编辑工具的设计目标不是蚊子可能携带的病毒而是蚊子自身，同样的遗传机制足以造成蚊子的整体死亡。这样的基因驱动不啻导致物种灭绝的大规模杀伤性生物武器。
固然，蚊子对人类有百害无一利，它们的灭绝只会让人额手相庆。但消灭或改造整个物种毕竟事关重大，很难把握其对地球生态环境的可能影响。因此，甘茨、比尔和詹姆斯的基因驱动迄今还只是约束在全封闭实验室中的“概念证明”5，在可预见的未来难以成为现实。
转眼之间，1975年的阿西洛马会议已经过去近半个世纪。从转基因到基因编辑，人类对生命编码的认知和运用再次突飞猛进。我们不仅能够通过基因编辑治疗疾病，而且达到有能力超越自然的遗传规律、掌握整个物种生杀大权的境界。然而，《滚石》杂志报道那次“潘朵拉盒子会议”时的设问言犹在耳：我们现在可以改写基因编码了，我们要说什么？
（待续）
CRISPR Therapeutics
学名为“黏多糖贮积症Ⅱ型”（Mucopolysarcharidosis type II）
bad cholesterol
杨璐涵在2017年回到中国，在杭州创办“启函生物科技公司”继续异种移植事业。
Proof of Concept