【科技．未来】基因编辑新工具 真正做到“寻找与取代”？
“基因剪刀”CRISPR-Cas9自2012年发表而来，迅即被视为基因编辑神器。上月底有科学家就宣布研发出称为“优质编辑”（prime editing）的改良版，比现有更安全、准确和高效，欲真正发挥“寻找与取代”DNA功能。与此同时，各种基因编辑研发应用，未有因为约在一年前发生的贺建奎丑闻而停步，包括编辑人类胚胎。随着基因编辑将会愈见准确，我们又是否准备好直面随之而来的道德抉择？
由美国博劳德研究所（Broad Institute）的生物化学家刘如谦及其团队研发的新编辑技术，声称“理论上可修正大约89%已知的致病人类基因变异”。刘如谦预期：“（新技术的）潜在用处，包括可以直接修正更大段导致遗传病的基因突变，并可在农作物引入DNA改变，以得到更健康和可持续的食物。”他补充，这工具也可令科学家更容易在实验室中建立疾病模型，或研究某种指定基因的功能。
加州大学柏克莱分校（UC Berkeley）分子细胞生物学家Fyodor Urnov对这项新技术大表赞赏：“整体来说，优质编辑的发明，是让基因编辑者站立鼓掌的时刻。优质编辑有潜力成为特别强大的基因修复方式。”哈佛大学遗传学家George Church亦说：“这是在对的方向上向前踏出了重大的一步。”剑桥大学生物化学教授Jussi Taipale就认为，终于“从一个基因剪除工具变成真正基因编辑工具”。加州大学柏克莱分校的CRISPR先驱杜德纳（Jennifer Doudna）则乐见“CRISPR-Cas9工具盒内有另一件新工具”。
基因文书处理器
虽然被渲染为功能前所未有强大，但基因编辑工具CRISPR在实际使用上其实颇为“粗暴”。CRISPR现时最广为使用的版本由两部份组成：负责切开DNA的“Cas9”蛋白，以及带它到目标位置的“引导RNA”。CRISPR-Cas9就如一把剪刀把DNA双螺旋都剪开，而所谓“编辑”，就是靠细胞本身自行把破坏修复来改变基因。但这修复系统并不可靠，或会在剪开之处加插或删除DNA字母，在不同细胞之间，编辑效果也不一致。
即使科学家加入一个样版来指引基因组如何编辑，几乎都只会得出细小而随机的加插或删除，而不会把那预先准备的特定DNA序列复写到原有一段上。批评者甚至把这种难以预测的改变称为某种“基因破坏”。《自然：生物科技》（Nature Biotechnology）在今年7月中刊登的研究就审视了CRISPR编辑，发现编辑过程中会有通常长达数千个DNA字母被大量删除，以及一些复杂的重新排列，本来相距甚远的基因序列会被缝在一起。
尽管如此，初代CRISPR主要是想令基因失去功能，对于只需要删除DNA的疾病治疗仍有用处；但这工具备受争议之处在于，它也有可能带来“靶外效应”误中副车，或引发无法预测甚至危害健康的基因变异，例如增加癌症风险。尤甚者是去年11月爆出贺建奎事件，被揭发在没有迫切医疗需求下，以CRISPR编辑人类胚胎基因以抵抗爱滋病，一对孖生女孩因而诞生，消息震惊世界。今年6月刊于《自然医学》的研究就发现，贺建奎编辑了CCR5基因，或会增加双胞胎早死机率21%，也令她们更易受西尼罗河病毒、流感等传染病感染。美国索尔克生物研究所（Salk Institute）首席研究员徐安祺呼吁科学界要更注视这些风险：“我确实认为，这问题在研究领域中未有得到应有处理。”
为解决这些问题，刘如谦先前曾研发出碱基编辑（base editing）。这技术可在毋须断开DNA双链之下，把一个DNA字母换成另一个，例如T变成A，G变成C，这是CRISPR-Cas9所不能做到的。碱基编辑可用于修正一些由单字母突变所致的遗传疾病，包括最常见的镰刀型红血球症（sickle cell disease），但对由多字母突变所致的遗传病，例如因四个额外字母造成的家族黑蒙性痴呆症（Tay-Sachs disease），就无用武之地。
最新研发的优质编辑避免了这两种编辑技术的难题。据上月底发表于《自然》（Nature）期刊的研究介绍，刘如谦保留了Cas9发挥搜索功能的部份，把剪刀的部份移除，以称为“反转录酶”（reverse transcriptase）的另一种酵素取代。这样，优质编辑的Cas9只会在目标位置的一条DNA链上割出缺口，然后反转录酶会按一条RNA的指引，在缺口处编辑基因。这过程好比文书处理软件。首先，科学家会先准备好他们想要加入或改写的基因字母序列，可想像为按“复制”键，然后Cas9就像滑鼠般找到DNA中正确的位置﹐最后，反转录酶就像按“贴上”键，用科学家准备的那段基因文字取代原有版本。
难完全取代旧技术
刘如谦的团队在实验室中尝试过以细胞测试优质编辑，成功修复了一些导致疾病的基因错误，例如镰刀型红血球疾病（一个错误基因字母）、家族黑蒙性痴呆症（四个额外字母）和囊肿性纤维化（cystic fibrosis；三个字母缺失）。
此外，他们以人类细胞和老鼠神经元测试过优质编辑。在这两种情况中，出现编辑位置错误的比例甚低，靶外编辑低于10%。成功率也很高，一般达20%至50%，视乎编辑种类，最高可达78%，其他CRISPR工具很难有双位数的成功率。对于一些疾病，例如镰刀型红血球症，即使25%至30%的成功率，已足以减轻部份症状。此外，只有1%至10%优质编辑细胞有非预期的字母增减，一些旧式的CRISPR工具至少90%。
不过，英国克里克研究院（Francis Crick Institute）遗传学家Robin Lovell-Badge强调，优质编辑要真正应用于人体仍需要很多功夫：“正如研究作者指出，这些是新的方法，仍需要努力发展，证明足够安全和有效。至今作者只曾在几种人类细胞种类上进行实验，这远远不足够。”刘如谦指“首个研究只是开端”，其团队将仔细评估优质编辑在不同细胞和生物上的效果。
另一CRISPR先驱张峰虽然认为刘如谦的研究“有创意”，但提醒若引入反转录酶，有可能把细胞中其他RNA复制DNA引入到基因组，造成意外编辑。澳大利亚国立大学遗传学家Gaétan Burgio则指出，从分子来说，优质编辑工具十分巨大，难以靠科学家惯常使用病毒的方式将编辑工具带到细胞。这些“庞然大物”甚至可阻塞微注射针头，以致难以应用到老鼠或人类胚胎。他认为这一点或许令优质编辑比现有技术较难应用。
美国马萨诸塞大学（University of Massachusetts）医学院分子生物学家Erik Sontheimer认为，优质编辑的另一问题是，科学家需要把想改动的DNA编码在一条RNA链上，而愈长的链就愈容易被细胞所在的酵素损毁，所以优质编辑或许无法像CRISPR Cas9般作出重大的DNA加插或删除，很可能无法完全取而代之。刘如谦也预期，传统CRISPR、碱基编辑和优质编辑各有优劣，未来三者会共存：“若CRISPR像剪刀，碱基编辑像铅笔，那么，优质编辑就像文字处理软件，可准确搜寻和取代，各自有它们的角色。”
继续阅读︰【科技．未来】或成大规模杀伤武器 基因编辑可有解药？
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上文节录自第187期《香港01》周报（2019年11月4日）《更准确VS更危险 新版基因编辑问世 人类面对道德抉择》。
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