基因剪辑现在可以永远改变整个种群

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译文字幕: B11101001于2017.05.20制作完成

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这是一个有关于基因驱动的演讲
但我要先讲一个小故事
20年前 一位名为安东尼·詹姆斯的
生物学家正致力于培育不会传播
疟疾的蚊子
这是一个很好的想法 但是结果失败的
要想让蚊子不携带疟疾
是非常困难的
最终 詹姆斯在几年前
利用添加基因的方式才使
幸存下来的蚊子上不带有疟疾
但是接下来还有一个问题
我们有了抵抗疟疾的蚊子
要如何替换那些携带疟疾的蚊子呢?
有很多方案
方案一主要依靠培育的办法
向大自然中释放一群新型的
经过基因改造的蚊子
寄希望于它们大量繁殖 稀释原来的基因
但是问题在于你不得不释放的数目是
本地区蚊子数目的十倍才能起作用
如果一个小镇上有一万只蚊子
就要释放十万只转基因蚊子
可以想象
对于当地村民来说这个方法不是很好
[笑声]
今年一月的时候 安东尼詹姆斯收到一封来自于
伊森比尔的生物学家的邮件
比尔说他和他的研究生瓦伦蒂诺·甘茨
无意中发现了一种工具
不仅可以保证特定的基因会被遗传
而且基因传播的速度难以置信的快
如果他们是对的 就从基本上解决了这个
詹姆斯潜心研究20年的问题
实验中需要两只携带抗疟疾基因的蚊子
以及新的工具 即基因剪辑装置
一会儿我会详细介绍
实验的工具是任何携带
抗疟疾基因的蚊子
它们将拥有红色的眼睛 而不是常见的白色眼睛
这也只是为了更好的通过肉眼观察
以至于他们可以瞥一眼就发现哪个是哪个
研究者把两只抗疟疾红眼蚊子
和三十个普通白眼蚊子放在一个盒子里
让它们自由繁殖
两代繁殖之后 培养了3800个子二代
这并不是让人惊讶的部分
下面才是惊人的部分:
如果一开始只有两只红眼蚊子
三十只白眼蚊子
它们自由繁殖的后代大多数应该是白眼
然而当詹姆斯打开盒子
3800只蚊子全部都是红眼
当我问伊森比尔这一时刻的感受时
他太兴奋了 在电话里一直叫喊着
因为只得到了红色眼睛的蚊子
打破了生物学的绝对基本定律
孟德尔遗传定律
这部分我大概讲一下
孟德尔遗传定律的观点是当一个雌性和雄性
她们的后代的DNA由父母各自提供一半
所以如果本来蚊子的基因是aa 转基因蚊子的基因是aB
B是抗疟疾基因
后代应该呈现下面四种基因组合:
aa、aB、aa、Ba染色体
然而使用了新的基因驱动之后
它们全变成了aB型
从生物学的角度说 这应该是不可能的
到底发生了什么呢?
首先
要追溯到2012年 一种叫做“CRISPR”的基因编辑工具的出现
很多人可能听说过CRISPR(基因编辑技术)
所以我只需简略说明 CRISPR是一种工具
它使研究人员能够精确、简单、迅速地编辑基因
它通过利用细菌体内本有的一种机制来完成
简单说 就是有一种能像剪子一样
剪切DNA的蛋白质
另外还有一个RNA分子 可以引导这把“剪子”
在你需要的基因组的任意位置上剪辑
其结果说白了就类似于是适用于基因的“文字处理器”
你可以取出整段基因 再加入一个进行替换
甚至可以编辑基因中的单个碱基
这个工具几乎适用于所有物种
前面我提过基因驱动有两大难题
首先是如何培育一只
抗疟疾的蚊子
多亏了CRISPR 我们解决了这个难题
但是第二个问题随之而来
如何让这个性状得以传播?
这就是这个装置精巧的地方
几年前 一名哈佛大学的生物学家凯文·恩斯福尔特
想知道如果
如果不仅在新基因中使用CRISPR
而且在剪切复制机制中也使用CRISPR 那将会发生什么
换言之 如果CRISPR自己也进行复制粘贴会如何
我们就得到了永动的基因修改工具
事实果真如此
恩斯福尔特创造的CRISPR基因驱动装置
不仅保证了性状的传播
而且当它作用于生殖细胞的时候
它会在每个个体的两条染色体上
自动复制粘贴新的基因
就像是全面检索并替换的功能
用学术术语来说 就是杂合子性状纯合化
那么这意味着什么呢?
首先 我们拥有了一个很强大
但同时也令人担忧的新工具
目前为止 基因驱动还并不是很有效
这反而让我们感到欣慰
通常 当我们对有机体的基因进行研究时
我们会使这些基因的演变变得少点
生物学家可以随心所欲培育变异果蝇
没有任何的后患之忧
如果一些飞走逃跑了 自然选择会好好照顾它们
基因驱动的强大和可怕之处在于
这种情况不再是理所当然的了
想象新的性状并没有一个 像蚊子不会飞那样的
一个很大的进化缺陷
基于CRISPR的基因驱动将很快地
让每一个个体拥有这种性状
目前为止基因驱动技术还并不完善
但是詹姆斯和恩斯福尔特相信 最终我们可以做到
好消息是它拥有美好的前景
如果你把疟疾基因打入
仅仅1%的蚊子里
疟蚊就是传播疟疾的蚊子
研究者预测一年之内 所有疟蚊都会获得新的基因
所以一年之内就可以根除疟疾
在实际生活中 我们离实现这种状态还有几年时间
现在仍然每天有1000名孩子死于疟疾
一年之内这个数字几乎可能下降为0
同样的方法也可以用于登革热、基孔肯亚病、黄热病
然后它就会变得更好
如果你想根除入侵物种
比如 把亚洲鲤鱼逐出五大湖
只要使用基因驱动
使鱼只繁衍雄性后代
几代之后没有了雌性鲤鱼 鲤鱼种群就会随之消失
理论上我们可以通过这个方式保护
濒临灭绝的自然物种
上面都是好的部分
下面说说负面影响
基因驱动的效率太高
以至于不经意释放的样本都可能 在短时间内引起整个种群的
巨大改变
詹姆斯做好了预防措施
他在一个生物控制实验室繁殖蚊子
并且蚊子也并不是美国本土的种类
所以就算蚊子逃跑了
也会因为没有办法交配而灭绝
但是如果一些携带繁殖雄性后代基因驱动的亚洲鲤鱼
偶然从五大湖被带回了亚洲
这可能会让整个亚洲鲤鱼种群灭绝
鉴于现在世界联系的紧密程度 这是很有可能的
这也是为什么会出现物种入侵
这是鱼类的情况
而像蚊子和果蝇一类的生物
我们是没有办法去遏制它们的
它们经常漂洋过海
另外一个坏消息就是
基因驱动不一定被限制在
我们所谓的靶物种上
这是源于基因流动
基因流动意思是相似的物种
或者异种
如果发生了杂交 有可能基因驱动会穿过物种的限制
就好像亚洲鲤鱼 会传染给其他物种的鲤鱼
如果基因驱动只是改变了一个性状 比如眼睛颜色 可能还好
而实际上 近期很可能将会有
大量奇怪的果蝇被培育出来
但是这可能是一个灾难
即使你可以利用基因驱动技术使这些物种全部消失
更为可怕的是基因驱动的技术
这种能够培育含有基因驱动的有机体的技术
基本上在世界上任何一个实验室都可以做到
本科生就可以做到
一个优秀的高中生 只要他拥有一些设备也可以做到
这就很可怕了
[笑声]
有趣的是 几乎每一个和我探讨基因驱动的科学家
都不认为基因驱动实际上那么可怕和危险
部分人认为科学家会
谨慎而且负责任地使用这项技术
[笑声]
当然 这不可置否
不过基因驱动也有一些实际的限制
首先它只能应用于有性生殖的物种
所以谢天谢地 它们并不能用在细菌和病毒的培育上
其次 性状只有在不停繁衍下才会传播
所以只有在繁殖周期很短的物种中
改变或者灭绝种群才是可能的
比如昆虫或者类似于鼠类 或者鱼类的小型脊椎动物
对于大象或者人类 可能需要几百年
改变的性状才可能传播的足够广
另外就算有CRISPR 想要制造一个真正
可以引发灭绝的性状也不是简单的事
比如你想制造一种果蝇
用普通的水果代替腐坏的水果
带到破坏美国农业的目的
首先你要搞清楚
哪一种基因会控制果蝇吃什么
这已经是很复杂的项目了
接下来你要根据你的想法通过改变基因
去改变果蝇的习性
这将是更加复杂的项目
甚至可能压根儿没什么效果
因为通过基因来控制行为的改变是非常复杂的
所以如果你是一个恐怖分子
不得不进行艰苦的基础研究计划
这个计划需要多年待在实验室进行细致地研究 但是可能会失败
或者仅仅把材料全部烧掉
你们可能多半会选后者
而且至少在理论上
这应该更容易去建立一个名叫反向驱动的装置
这样就可以覆盖第一个基因驱动进行的改变
所以如果你对于改变的结果不满意
启动第二个装置取消改变
至少理论上是可行的
那么这一切到底告诉了我们什么呢?
我们现在可以随意改变整个种群
是这样么?
我们扮演上帝的角色了么?
我不这么认为
我想说的是:
首先 很多睿智的人
现在已经开始讨论如何规范基因驱动
与此同时另外一些聪明的人
开始制定安全保护措施
比如让基因驱动自我调控 或者在经过几代之后逐渐消失
这是很好的
但是这项技术仍然需要更多讨论
而且鉴于基因驱动的本质
这些讨论必须会面向全球的
如果肯尼亚想使用一个基因驱动 但坦桑尼亚不想怎么办?
谁来决定可以广泛传播的基因驱动
什么时候释放?
我不知道答案
接下来我们能做的
是实事求是的讨论利弊
并且对我们做出的选择负责
我的意思是 不仅仅是选择使用基因驱动
也可以选择禁用它
人类倾向的最安全的方案
就是维持现状
但是事实往往不一定如此
基因驱动确实有风险 也需要认真讨论
但是疟疾现在每天都夺去1000个人的生命
为了对抗疟疾 我们喷洒大量农药 这就伤害了其他物种
包括两栖动物和鸟类
当你们在接下来的几个月听到基因驱动时
相信我 你们一定会听到的
请记住我说的话
行动意味着风险
但有时无动于衷更加致命
[掌声]
以下内容有剧透 , 请注意打开姿势

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