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事實與邏輯

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  • 2015-08-26 15:06

【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)

上一篇文章提到人類基因組解碼十多年來,基本上對醫療沒有什麼貢獻,這主要有兩個原因:首先,如果要進行基因療法(Gene Therapy),就必須有可靠、廉價、高速的手段對活細胞的基因做重組,很不幸的,早期的嘗試(主要是使用改造過的病毒)不但複雜而昂貴,而且非常不精確,常常在錯誤的染色體位置上做意外的修改,其結果是不但沒有治好這些遺傳性的基因病變,反而引發急性的癌症腫瘤,在有志願者因此而死亡之後,研究的腳步就更加緩慢困難。

另一方面,如果不是直接改變病人的基因,而是要開發新藥,那麼就必須在細胞依據DNA的藍圖製造RNA然後再製造蛋白質等等機制中找尋機會,但是蛋白質千變萬化,其作用又主要靠分子折疊(Folding)後的三維形狀來決定,所以只從分析DNA而決定蛋白質分子的分子式是遠遠不夠的,必須能確定它們在活細胞環境內如何自我折疊,但是這個問題連超級電腦都不能可靠解決,最終還是必須有直接測量的手段,而在人類基因組解碼後,研究人員仍然沒有一個很好的直接測量蛋白質形狀的技術,所以也就不能促成開發新藥的革命。

在學術界內研究DNA的叫做基因工程(Genetic Engineering),研究蛋白質的則是分子生物學(Molecular Biology)的一支。在基因解碼越來越快越便宜之後,研究人員開始集中力量要突破前面提到的兩個制約因素,在最近幾年終於先後得到了好的解決方案。目前我們正處在改進和推廣這些新技術的階段,在未來15-20年將是一個革命性的黃金時期(上一次有這種規模的醫療革命是抗生素的發現和普及),目前困擾人類最嚴重的許多病變如癌症、Alzheimer's、Aids等將逐步被征服,下一代人的生活品質將因此而大幅提高,實在是件震撼全球的大事。我將在本文介紹基因工程方面的突破,在下一篇文章再討論分子生物學的新研究工具。

2012年新發現的基因編輯(Gene Editing)技術叫做CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat)。它原本是某些細菌用來消滅入侵的病毒基因的一個天然手段,由一個RNA和一個特別的蛋白質Cas9組合而成。RNA負責識別病毒基因,一旦找到正確的對象就自然接合起來,然後附帶的Cas9像剪刀一樣把目標DNA切斷。一開始研究人員只是用它來對特定基因做消音(Silencing),但是很快地就有人發現只要有合適的新DNA段落在附近,有時細胞修復DNA時會把新段落加進去,如此一來就達到了基因編輯的目的。

和以往的舊技術相比,CRISPR的特點在於它基本上是同一組分子,只有RNA的識別段(圖中紅色段落)需要量身訂製;這不但使製造過程加速了不只一個數量級,而且也大幅減少錯誤,不過目前的技術還做不到100%精確。

CRISPR發現後不到一年,美國就開了好幾個新創業公司(Startups),準備用它來做基因療法。這些人或許是操之過急了點,畢竟CRISPR才剛被發現,技術很不成熟,尤其是新DNA段落的融入基本上仍是靠運氣,所以不是100%的細胞都會被正確處理。更嚴重的是目前的RNA識別段都還不夠可靠,雖然已經比上一代技術好太多了,但是即使是少數的錯認仍然有可能會引起癌症,所以CRISPR還有很大的改進空間。

2015年四月,廣東中山大學的黃軍就教授發表了一篇有關CRISPR的論文,引發了科學界的廣泛注意和討論。他使用CRISPR對剛受孕後的單細胞人類胚胎嘗試了基因改造,結論是只有52%(54個胚胎,28個成功)的成功率。不過震驚歐美科學界的不是他的研究結果,而是他的研究對象。胚胎細胞屬於所謂的Germline,也就是修改過的基因是會被傳到下一代的,而目前由基督教主導的歐美社會還不能接受研究人員扮演上帝的角色。我個人認為這是落伍的觀念,Germline Modification必須被規範,但是不可能被永遠禁止。

事實上對胚胎細胞使用CRISPR,比對整個活體進行基因療法要容易多了。這是因為失敗的個例可以被丟棄,所以目前的不成熟技術其實已經可以在胚胎方面實用。不過由於“道德”上的考慮,應該不會很快發生;我們大概還是要等上相當的時間(15年?),CRISPR的錯誤率被壓到極小的可接受程度,才會看到大規模的醫學應用。至於與醫療無關的應用則會快得多,例如我們可以預期各式各樣的轉基因作物將會有爆炸性的發展;當然在這方面,政府的法律規範也必須加緊腳步,才能跟上技術的進步,確保他們的安全應用,避免意外的災難。After All,With Great Power,Comes Great Responsibility。

【後註】今天(2016年九月22日)消息傳出,Monsanto正式簽約與Broad Institute合作,將利用CRISPR技術來開發新農業品種。早在今年四月,Dupont已經與Caribou Bioscience簽了類似的合約。

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  • 作者:王孟源

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迴響(16)

# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
“必須在細胞依據DNA的藍圖製造RNA然後再製造蛋白質等等機制中……必須能確定它們在活細胞環境內如何自我折疊”

請問施一公的這個發現是?
www.guancha.cn/Science/2015_08_24_331731.shtml
www.guancha.cn/lonkeduo/2015_08_24_331780_s.shtml

另外,美國人連人造大腦都做出來了
www.guancha.cn/Science/2015_08_21_331491.shtml
施一公的這個發現我會在下一篇文章討論。
  • 2015-08-26
  • ...
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
I don't usually understand the detailed and deep theory in many areas you wrote about ...so hope i am not a kill joy here (not being overly excited by such science. With my usual way of applying common senses...even the most advanced science/future drugs will not cure most cancers/deseases if we don't work on the roots/causes to many; our life style, our diets, so many bad add-ons into ingredients for manufactured/processed foods, polluted environment, etc. Few people's greeds (for accumulating wealth, for trying to live forever , etc) have caused most troubles/problem to this world...maybe we need to be cautious about where we applly good science in the future??
It's world-shaking progress. We need to develop corresponding laws and regulations for it, but the benefit is simply too great to ignore.
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
Thanks again for brilliant mind sharing your thoughts with us...to know the excitments/wonders out there...(admittedly sometimes with depressing implications) still, thank you for taking time writing for the sake of bettering our society.
It's really not my field, but it is also so important that I just have to report it. Hope I can do justice to it.
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)

黃軍就在Protein & Cell的文章,只嘗試"編輯剪接修改"地中海貧血基因就引起廣泛關注與壓力,廣州中山大學以這項研究失敗率實在太高而取消研究,以板主對中共軍事科技數據謙虛的態度邏輯推論,或有重大突破而轉入秘密研究? 我不相信歐美社會不能接受研究人員扮演上帝的角色,大家都暪著頭幹,只是時候未到。
歐美研究機構的確是暫時只能偷偷地幹,我不知中山大學的內部計劃如何。不過不要低估基督教原教旨主義者的勢力,尤其是在美國,這種研究目前還是很大的忌諱。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
很久以前就看過有一些文章說俄國科學家可以透過頻率的方式去調變DAN, 還有發現DNA 的幽靈效應(DNA Phanton effect DNA)
不知道這些研究是否是偽科學??

www.bibliotecapleyades.net/...

www.bibliotecapleyades.net/...

https://www.youtube.com/watch?v=Cc7OkmggC7k

是的。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
另外從網路文章看到
華人科學家姜堪政1957年,他寫出了大約七萬字的論文,題為“場導論”,他認為,既然生物體有電磁場的交換,那麼該電磁場必然會有一部分傳遞到有機體之外。如果被另外的有機體所接受,作為生物信息,他必然會定向控制該生物體的生命活動過程┅┅

姜堪政做了一系列的有關突變實驗(如雞變鴨...) , 感覺很離奇, 但至今感覺也沒有後續的進展, 是否也是一種騙局, 或偽科學??

www.reconnectiontaiwan.tw/viewthread.php?tid=1376

zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A7%9C%E5%A0%AA%E6%94%BF

也是的。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
我的理解是,最初研究DNA跟人类疾病关系的学科是遗传学genetics,而研究蛋白质结构功能的学科是生物化学biochemistry.1953年DNA双螺旋结构被发现后,建立了分子生物学molecular biology.分子生物学最重要的内容是中心法则central principle,它揭示了生命体是如何使用DNA制造蛋白质的,使人们终于可以把遗传学和生物化学统一起来,微观生物学被一统天下。
基因工程旨在利用gene editing技术去改变基因型genotype来获得某种表型phenotype。对人类基因组的编辑难度比微生物大好几个数量级,这是因为人类基因组太过庞大,调节太过精细,如果没有绝对的特异性specificity,是永远不能应用到医学上的。所以长期以来只在实验室对动物使用,比如建立疾病的小鼠模型mouse model,这对我们了解疾病机理有非常大的贡献,而基因敲除小鼠gene knockout mice的成果也获得了2007年的诺贝尔奖。
所有的gene therapy都依赖同源重组homologues recombination.也就是你把有缺陷的dna破坏,然后提供一段正确的dna,细胞就会自动用正确的dna作为模板复制并修复原来的基因。所以这包括两个过程,第一是在宏大的人类基因组中找到你要修复的基因,这个概率非常非常底,你可以理解成在30亿颗乒乓球中找到你丢进去的那颗。第二个过程就相对简单,用正确的dna替代错误的dna,这个过程细胞自己就帮你做了。
所以分子生物学和基因工程多年来的努力都在解决第一步。目前有三种极为高效的方法,zinc finger nuclease锌指核酸酶技术,talens类转化因子核酸酶技术和先生提到的crispr技术。这三种技术的共同点是先设计一个可以特异性识别目标基因的分子,然后给这个分子加上一个核酸内切酶,那么这个融合分子结合了目标基因后,核酸酶立刻就把它切断,第一步完成了。前两种方法使用的识别分子是蛋白质,这就好比说英语的和说中文的进行交流,需要一个非常好的翻译过程。但是crispr使用的是RNA,可以理解为把这个过程变成说四川话的和说东北话的进行交流,难度简化了几个数量级。而且RNA设计生产的成本非常低,这就使大规模应用变成可能。
要提醒大家一点的就是,这三种技术目前都无法保证100%的特异性,人类的基因组太庞大,而且同源基因很多,比如说染色体的结构蛋白histone组蛋白就有好几个亚型,而且基因序列彼此非常相似,这些技术在识别这些同源基因的时候难度要大上许多。crispr目前无法保证无错的修复,所以还停留在实验室阶段。中山大学黄军的论文的一个最大的结论就是crispr离直接在胚胎修复缺陷dna的距离还有很远。
但是crispr的成本实在是太低了,而且发现者张峰把每一个基因对应的识别序列都解开并且放到网上了。早晚有公司会做这方面的尝试。其实我认为在未来,胚胎直接修复的可能性很低,更有可能的是和干细胞技术结合起来,因为和胚胎不同,干细胞可以在体外培养并且大规模试验,即使不能保证100%的准确性,发生off target脱靶效应的细胞丢弃就是,只要那些正确的然后进行培养分化,再移植到病人体内。比如白血病可以通过这种手段治愈。但是其他器官的类似治疗依赖于干细胞技术的进一步发展。
分享一个个人的经验,来说明这些技术的优越性。我曾经用传统的手段在人的体外细胞系中敲除一个基因,经过抗性筛选得到的500多个克隆中,只有一个是正确的。后来我用了zinc finger nuclease技术(那时crispr还没出现),在22个克隆中,有20个是正确的。
謝謝你的補充。生化不是我的專業,很高興沒有嚴重寫錯什麼。

我想使用可丟棄的特殊細胞必然會是實用化的第一步。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
施一公的基因Spliceosome 高解析度三維結構分析可以被考慮得諾貝爾獎,但實際作人類基因剪接修改卻只能偷偷地幹。
宗教是非理性的組織,在美國是妨礙社會進步與公平的很大力量。這主要是財閥需要分散人民的注意力、避免理性思考的普及,所以美國是西方先進國家裡唯一在過去40年變得更加迷信的。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
先生各方面都有涉猎,我很佩服,而且大众需要先生这样的人来做科普。搞科研的人多少有些曲高和寡,而且精力有限,少有人做科普的工作。
我想习近平已经意识到制定有关转基因的法律的重要性了,我记得观察者网也报道过他这个决定。对民众的科普也变得非常重要,因为转基因是和生活密切相关的,一旦技术成熟起来,经济效应不可估量,如果不能做出政策的调整一定会吃大亏。
在这方面我认为中国有优势,一方面民粹主义和反智主义在精英政治下空间较少,另一方面中国没有宗教的干扰,而且中国在法律方面不象西方那样死死得走程序,能够较快做出改变。这些因素可能导致在下一个十年中国在胚胎干细胞技术,再生医学反超西方。13年的时候细胞杂志就已经注意到肿瘤研究和干细胞研究的中心有向中国转移的趋势,还专门做了一期special issue介绍中国的肿瘤研究。未来中国可能会吸引越来越多的西方科学家,因为在中国获得肿瘤样品容易得多,而且胚胎干细胞研究也不象西方一样带着镣铐跳舞。可以预见到时西方对中国科研伦理上的攻击会非常多。
是的,以“道德”標準來批評和箝制中國生化科學的發展,必然是未來10-15年常見的歐美宣傳噱頭。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
Genetic engineering is but one of the challenge in solving human diseases. For most diseases (e.g., cancers, autism), scientists do not even know which faulty genes are the major contributors. Another challenge is the dissimilarity between human and animal (rodent) models. A gene that is critical for alzheimer in mice may be unimportant in human.
There are ways to circumvent these difficulties. You will see in the next article greater details about how researchers are attempting to develop treatments for the Alzheimer's.
  • 2015-08-27
  • ada
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
王孟源先生以物理学博士和资深金融从业人员的身份对生物医学有深入的理解并能写出这样一篇引人入胜的文章,了不起!我曾向多位同事、学生推荐过贵博客,他们也颇享受阅读大作。些许瑕疵对于一般读者或许没有问题,但对于将要进入业内的学生有引起困惑的可能,最好略做修改。
例如“在學術界內研究DNA的叫做基因工程(Genetic Engineering),研究蛋白質的叫做分子生物學(Molecular Biology)”的说法不准确。在生物化学界,研究DNA和RNA的结构与功能的是核酸化学。研究蛋白質的结构与功能的是蛋白質化学。在了解了DNA和RNA的结构与功能的基础上,生物学家建立了DNA重组技术(Recombinant DNA Technology)该技术可将不同来源的DNA按照人类的设计重组为一个新的DNA分子。该技术又被称为基因工程。它可以按照人类的意愿生产出自然界已有或没有的蛋白质。在此基础上人们建立了可以在分子水平上研究各种生命现象的本质的新学科,也就是分子生物學(Molecular Biology)。
另外,大作用基因編輯(Gene Editing)来描述CRISPR不是很准确。更被业内接受的名词是基因组编辑(Genome Editing)。有学者将DNA重组技术称为第一版的基因工程,基因组编辑则为第二版的基因工程。这两版的不同之处在于:第一版的基因工程所操作的DNA比较小通常为一个基因,且外源DNA通常未整合入宿主基因组或是随机整合。而基因组编辑所操作的DNA可以比较大甚或同时操作多个基因,且可定点整合入宿主基因组。
以上意见供参考并祝王先生有更多引人入胜的博文面世。
謝謝你的指正。

我知道你說的對,但是我這是一篇科普文章,是給外行人看的,如果細分到核酸化學和基因工程的差別,可讀性就沒了。我要以一頁的篇幅來介紹兩個重要的話題(即新一波的醫療突破和CRISPR)必然得要簡化一些細節,尤其不能引入太多專業詞彙,選擇用“基因工程”和“分子生物學”這樣籠統的外行人分類是有意的,還請專家們見諒。

我也知道CRISPR技術能對好幾個基因同時做修改,這是它相對一些舊技術的另一個優勢;不過Gene Editing和Genome Editing之間的差別同樣是不適合在這麼簡短的文章裡討論,所以也就一樣蒙混過關了。

我的文章素來注重可讀性;這篇已經是開創部落格以來最硬的文章了,我實在必須Cut Cornors,請知情的讀者諒解。不過留言欄是個補充細節的好地方,歡迎你們來指教。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
没有深入了解的部分读者,可能会对黄军就教授直接对人类胚胎进行实验感到不妥,这也是受到西方质疑的最重要一点。其实黄军就教授使用的人类胚胎,是所谓的‘三核受精卵’tripronuclear zygotes,在试管婴儿的体外授精过程中,有大约6-7%的几率产生三核受精卵,也就是两个精子同时和一个卵子结合。这样的胚胎是授精失败的产物,是不可能发育成为胎儿的。我认为用这些医疗的失败副产品做这样的实验完全没有伦理上的问题。但是很多西方媒体有意忽略这一点,让民众以为中国允许人类胚胎实验。
是的。

其實每年世界上墮胎或流產的案子沒有上億也有幾千萬個,就算是完美的胚胎和它們比起來,距離真正可稱為人的程度也還差得更遠,我個人覺得沒什麼大不了的。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
那些極端反墮胎者可不就是從受精卵開始算,早就有了反口服避孕藥的

我認為這些基督教的狂熱者對科學的阻礙可以與中世紀相比,只不過現代的教會沒有中世紀那麼大的權力,而中國能避免這一點,是相當大的優勢
但是硬是把自己社會裡的不合理細節提升為普世價值,正是美國人的拿手好戲,所以未來對中國科學界的口誅筆伐是必然的。
  • 2015-08-28
  • K.
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
美國因為宗教上的限制,已經開始限制很多生物科技上面的發展了,前面的黃軍就是一例.

想請問你覺得未來15年內生技的黃金期,也會發生在美國嗎?還是不一定呢?
不一定。很多人才還是在美國,但是資金和自由卻在亞洲。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
再問一個問題,美國在科研投資跟藥品利潤上比其他國家都高很多,許多昂貴的藥品也都只能在美國販賣.為什麼您卻覺得資金在亞洲呢?
前面的留言討論已經詳細解釋過了,我在這裡簡單總結一下。

美國對上游的基礎科研投資已經遠落中國之後。藥品公司利潤雖高,大部分被財閥吸走了;能用來投資的,只專注在新的控制性藥物上,其中超過一半以上相對舊藥沒有優勢,純靠公關和律師來保障銷售量。專利系統被改為專為這樣的大公司壟斷服務,有真正突破的小公司反而會面對一大堆莫名其妙沒有醫療意義的專利保護,不能公平競爭。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(二)
前两天参加了在EMBL欧洲分子生物学实验室的一个研究报告会。得到一些我个人认为对这个领域很重要的信息,在这里分享一下。
1:crispr技术发展之快超过我的想象,目前最前沿的实验室已经不再使用plasmid或者virus作为crispr的载体,而是直接纯化cas9蛋白,并在体外跟sgRNA直接结合成为ribonucleoprotein,RNP.然后直接将这种复合体送入细胞,大大提高了效率,降低了plasmid被随即整合入基因组的可能性。
2:cas9和sgRNA的结构也逐渐被揭开,接下来肯定会根据已知结构来进行人为更改,off-target 和efficiency会得到进一步改善。
3:crispr用来改良人种可能比我想象的要更早。bill skarnes是这个领域的权威人物,他认为用这个技术来对胚胎进行基因治疗对整个人类物种来说没有任何意义,因为这样做无法进一步丰富人类的基因库 gene pool,其应用也仅限于少数极富有的家庭。他认为应该结合人类基因组计划,用这个技术来改善整个人类的基因库,比如改善人类耐严苛环境的特性,增强运动能力和智力,甚至不排除可以用来生产超级战士。bill skarnes不是科幻作家,是一个很严谨的科学家,他说这些观点的时候在现场并没有引起反驳,可见西方科学家和西方大众的考量是完全不同的。我认为西方强调crispr的gene therapy的潜力不过是给大众一个更容易接受的理由的来继续发展gene editing,技术成熟之后,肯定会有改良人种的应用。比如如果真的出现星际移民,gene editing绝对有助于创造太空人类。
我也聽說了,而且已有論文把cas9切開DNA的“剪刀”部分換成更好的。

我想Skarnes只是從純科學的角度討論他的夢想,實際上的政治阻力必然會是極大的。

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