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漫画带您秒懂基因组编辑
你发现了没有,在科幻电影中,平民出身的“超级英雄”都有一个共同点:他们的超能力往往不是靠勤学苦练练出来的,而都是靠修改基因改出来的!
虽然超能力在现实中并不存在,但是修改人类的基因早已成为了现实。今天咱们就来说说,新闻里常说的基因编辑是怎么回事?编辑基因会有啥好处?
(一)
先说说基因是啥。基因说白了,就是制造生物体的图纸。生物体的大部分细胞里都有这样一整套的基因图纸。蜘蛛侠之所以能吐丝,能飞檐走壁,靠的就是基因图纸的指导。
只不过,基因这种图纸,不是直接把生物特征画成了图,而是将它加密成了一串密码。这串密码也不是用普通人能看得懂的符号写的,而是由四种特殊的化学分子排列成的。这四种化学分子分别记作A、T、C、G?[注:1]。
在细胞中,这串由化学分子排列形成的密码长链就是我们平常说的
所以,基因编辑,就是像我们编辑手机中的文字一样,编辑DNA分子中某几个特定的化学分子!
那么,基因编辑跟我们普通人又有什么关系呢?
(二)
人会有缺陷,计算机程序会有缺陷。
同样的道理,生物细胞里存放的基因图纸也会有缺陷。
有时候,基因缺陷的后果很严重。因为图纸出了问题,造出的零件就可能出问题。零件出了问题,使用零件的机器就可能出问题。最严重的时候,整个“生命工厂”都会因此产生重大事故。
实际上,许多打针吃药做手术都治不好的病,都是跟基因缺陷有关。比如,有一种病叫作联合免疫缺陷。得了这种病的小孩,免疫系统几乎完全失灵,通常只能住在与世隔绝的气泡舱里。这种病的一种较常见的原因是ADA基因存在缺陷。
除此之外,癌症、血友病、白化病等等,甚至某些高血压和糖尿病,都跟基因缺陷有关。所以,就算我们不想制造超级英雄,为了身体健康,我们也得了解一点儿基因编辑的知识。
(三)
要想搞清楚基因该怎么编辑,就得先分清楚基因存在哪类缺陷。粗略地说,基因缺陷可以分为两类。一类叫作“该有的没有”,另一类叫作“不该有的乱有”。
1.该有的没有
假如基因缺陷导致某个基因造出的零件不好用,或者干脆啥也造不出来,就属于该有的没有。此时,科学家就会往细胞里添一个好用的基因,也就是“缺啥补啥”[1]。这种任务通常由某种改造过的病毒来完成。说白了,就是让病毒把好用的基因塞到细胞里。
比如,1990年,美国国立卫生院临床中心就是用添基因的办法(即添加正常的ADA基因),治好了一个患有联合免疫缺陷的小女孩。于是,这个小女孩再也不用在气泡舱里生活了。
话说回来,往细胞里添基因虽然也属于基因编辑,但这种方法有点儿不够精准。因为用这种方法添加的基因,会在DNA密码链中随便找地方落脚,有点儿不受控制。相比之下,下面这种情况才是手术刀级别的“基因编辑”。
2.不该有的乱有
假如基因缺陷的后果不是零件不好用,而是零件功能错乱,导致不该有的乱有,那么,添基因的办法就不管用了。
这个时候,科学家必须把基因的缺陷修改掉,也就是像编辑图纸中的错别字/错线段一样,直接在DNA密码链特定的位置上插入、删除、替换其中的某几个密码字符(即化学分子),才能彻底解决这个问题。这就是手术刀级别的基因编辑。
比如,有一种叫作HTT的基因包含9000多个密码字符,其中的字符难免会出错(注:多出来好几处内容为“CAG”的密码序列)。如果“错别字”数量超过一定阈值,人类和小鼠就会得一种奇怪的遗传病,叫作亨廷顿舞蹈症。
科学家发现,利用基因编辑技术,把DNA密码链中的“错别字”编辑掉,小鼠的亨廷顿舞蹈症就能治好[2]!
(四)
在人类的DNA中,密码字符的数量高达几十亿个,
怎样才能改正其中的“错别字”呢?
我们可以设想,不管用什么办法,这个过程一定会分成三个步骤:
所以,科学家要想实现基因编辑,就需要有一套好用的工具,配合细胞修复机制,共同完成这几个步骤。那么,世界上真的存在这么好用的工具吗?
(五)
这样的工具真的存在,而且,它们往往存在于自然界的生物细胞中。例如,最近格外出名的基因编辑工具?CRISPR/Cas系统,就是在细菌体内发现的。
CRISPR/Cas原本是细菌的免疫系统,最擅长剪断特定的DNA。经过科学家改造后,它就可以帮助我们编辑指定基因了。
比方说,在这套工具中,专门有一串化学分子(gRNA)可以在DNA密码链中识别“目标错别字”。一旦它找到了“目标错别字”,就会像拉链一样,跟一条DNA密码链紧紧地扣在一起。这就是第一步。
此时,有一种和它连在一起的蛋白质(Cas9)就会对准DNA密码链的这个位置,“咔嚓”剪一刀。这就是第二步。
最后,细胞的修复机制会发挥作用,按照科学家指定的“内容模板”,把“错别字”改对,再把DNA密码链接好。这就是第三步。
咱们在上文说的编辑小鼠HTT基因,治疗小鼠亨廷顿舞蹈症的实验,用的就是这套工具
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