《互联网+基因空间》——迈向精准医疗时代
作者：罗奇斌博士
第一章：基因与基因科学
1.2.2 基因科学的未来
1．基因科学的任务和挑战
基因科学的任务，从总体上来讲，包括鉴定基因组中所有的功能区域、鉴定所有疾病相关基因、评估基因突变的疾病风险、解析所有基因的功能、开发新的诊疗手段和治疗药物。
每一项任务都非常的艰巨。以鉴定基因组中所有的功能区域为例，就非常困难。虽然人类基因组测序已经完成了15年，但基因组中哪些区域是与功能相关的，其功能是什么，它们是在什么组织内、什么条件下有功能等问题还很难回答。近些年来，基因组中功能区域的概念一再延伸，从短非编码基因到近端和远端调控序列，再到现在正热门的长非编码基因。可以说，人是通过这些功能区域之间的相互作用来定义的，这种相互作用构成的网络的状态，定义了人的状态，如生老病死。但是，这种互相作用不仅受时间和空间的影响，而且是与环境互相作用的结果。从这种角度看，对于基因功能的研究，可能要上升到4维甚至5维的高度；这里3~5维分别指时间、空间以及与环境的互作。更为复杂的是，环境还可以分解为外部环境，如天气、辐射强度和粉尘状况等；以及内部环境，如人的心理状态、体内或体表微生物群的组成等。但是，知道人的基因组全部序列，也只是完成了破解生命密码的第一步，只能算是掌握了“生命天书”的只言片语，要把这些词语连成句子、段落和整篇文章，还有相当长的路要走。
况且，鉴定所有疾病相关基因不仅需要大量的人力和物力，这是由于人类大多数疾病是由多基因控制的，解析相关基因时所需要的样品数量与基因的复杂度成正比；而且，还要考虑人种与地域间的差异。评估基因突变的疾病风险也存在巨大的挑战。多基因疾病的表现程度不仅取决于有多少个基因发生了突变，而且还与这些基因间的相互作用有关。要完整解析每一种突变组合的疾病风险，不仅需要大量的样品，而且需要复杂的算法处理突变与样品表现型之间的对应关系，这种复杂的计算必须要用超级计算机配合机器学习的算法才能处理得好。
截至2011年的数据，科学家们已经发现了2000种疾病，以及它们和基因突变的关系，但只有其中700种疾病有药可治。其主要原因是大多引发疾病的突变会使所在基因功能受损或者失活；要进行治疗，就必须用一定的方法恢复和重现基因功能，这在药物水平上是非常难以实现的。
不过，最近几年来的研究，特别是利用CRISPR系统进行基因编辑方面的研究，使得修复基因突变、从根本上治疗甚至治愈基因疾病成为可能。
2．通过CRISPR基因编辑治疗基因疾病
CRISPR全名为“常间回文重复序列丛集”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats），意为有一组回文短序列，之间由其他等长或类似长度的序列间隔，这些间隔序列又被称为“间区”。所谓回文序列是一段序列，从前向后看与从后向前看时是一样的，比如“上海自来水来自海上”。CRISPR系统存在于所有的古细菌和部分细菌中，是这些原核生物免费系统的一部分，被用来对付入侵的病毒和质粒。
CRISPR是指一段DNA序列。这段序列由Cas蛋白（CRISPR相关蛋白）进行识别和处理。现今所说的CRISPR，通常是指CRISPR/Cas这一套系统。
CRISPR的间区序列通常来源于前次入侵的病毒和质粒，CRISPR可以被转录为RNA。当相应的病毒和质粒再次入侵时，CRISPR RNA上的病毒和质粒片段能以互补的方式和入侵的DNA结合，在Cas蛋白的帮助下，将对应的互补片段切割。
科学家们研究发现，把Cas蛋白和一段指导RNA同时引入人细胞内，可以用来切除人基因组上与指导RNA互补的序列。此系统还可以提供一段模板，用于替换被切除的片段。因此，CRISPR系统在疾病治疗上有非常广阔的前景：它既可以使指定的目标片段失活，也可以将指定的基因突变替换为正常的序列，从而达到治疗甚至治愈相应疾病的目的。
CRISPR系统简单易用，功能强大，因此很快就被应用到了人身上。据媒体报道，截至2015年3月，已经有至少4家美国的实验室，不少中国和英国的实验室，以及一家美国生物技术企业将CRISPR技术应用到人类胚胎上去。2015年4月，广州中山大学的科学家们在《蛋白和细胞》杂志上发表了他们的人类胚胎实验结果。他们在受精卵发育早期引入CRISPR系统试图修复HBB基因上的一个突变。HBB突变可以诱发beta-地中海贫血，当胚胎接收到的来自父母双方的HBB都突变时，胚胎是不能存活的。他们的研究发现，CRISPR系统可以有效地切除损坏的HBB基因。但是，修复的效率并不高。在少数有修复发生的胚胎内，也并不是所有的细胞都被修复了。这个研究是第一个公开将CRISPR系统应用于人类胚胎的案例，作者们试图将文章投往科学界最顶尖的杂志《自然》和《科学》，但都因伦理问题被拒了。但是，他们的文章还是受到了广泛的关注。
本节完
联系客服
