基因编辑是怎么回事来听听浙大生物学教授怎

文/诸神的恩宠

年年初,美国电影《生化危机6》上映后，在全球狂揽11亿票房，成为当年最卖座的电影之一。电影也引发了人们对生物学的好奇。生物学看似离我们很遥远，实际上却和我们关系密切。比如，我们小时候都注射过疫苗，很多人都得过病毒性感冒。疫苗和病毒，都属于生物学的研究范畴。

21世界是生物学的世纪。不了解一些生物学常识，都不好意思和人聊天。而《上帝的手术刀》就是一本生物学科普书。初看这个书名，很多人都会有些懵。上帝和手术刀八竿子都打不着，怎么会搁到一起说呢？的确，它们看上去确实没关系，可实际上，却有着极其微妙的关联。什么微妙的关联呢？别急，一会儿再来揭晓答案。

这本书讲述了近一百多年里，人类探索基因奥秘的辉煌历程。作者将基因学的专业知识，以讲故事的方式娓娓道来，让我们沉浸其中，感受到生命的磅礴。有人说它是“科普书里的小说，小说里的科普书”。可见，它把知识性和趣味性融合得有多巧妙。

本书作者王立铭，是浙江大学生命科学研究院教授、博士生导师。同时，他还是知乎大V、《知识分子》签约作家等，代表作有《吃货的生物学修养》、《上帝的手术刀》等。

01基因最早的代称：泛生子颗粒

我国有很多古老谚语，本质上都是在说遗传。比如“种瓜得瓜，种豆得豆”、“龙生龙凤生凤，老鼠的儿子会打洞”等。生物学认为，生物能把自身包括外形和性格在内的重要特征，一代代地延续下去。这就是遗传。

生物通过DNA进行遗传，而DNA的最小单位是基因。我们的生、老、病、死都与基因紧密相关。而人类发现基因的过程，也是一波三折，充满了戏剧性，堪比八点档的电视剧。

基因的历史可以追溯到古希腊时期。古希腊哲学家德谟克利特认为，生物体内有一种叫“泛生子”的微小颗粒。泛生子颗粒能记录该物种的各种特征，还会把这些特征传给下一代。

泛生子遗传的观点，从古希腊时期一直延续到了19世纪。达尔文在创立进化论时，也沿用了这一概念。达尔文认为，雌雄双方的泛生子决定了后代的外形、颜色、性格等。一旦泛生子出错，生物的后代将会发生很多变化。

进化论一问世，就遭到基督教的炮轰。神父们认为，进化论颠覆了上帝创世说，是对上帝的大不敬。就在教会将炮火对准达尔文时，欧洲又出现了另一位生物学巨人，他就是奥利地神父格里高利孟德尔。

02孟德尔与豌豆

孟德尔是神父，但同时也是生物学家。有一年，他修道院的后院里，种下了一批豌豆。他种豌豆，不是为了吃，而是想通过观察豌豆的生长，来寻找遗传的奥秘。

孟德尔选了外部特征明显不同的两组豌豆做种子，其中一组是表皮光滑的黄豌豆，另一组是表皮褶皱的绿豌豆。等豌豆苗开花时，孟德尔挑出雄性的黄豌豆花，通过人工授粉的方式，把雄性黄豌豆的花粉撒在绿豌豆的雌蕊上。

几个月后，结果出来了。结果让人意外：黄绿豌豆杂交的第一批后代，竟然全都是黄豌豆。那绿豌豆的特征哪儿去了？孟德尔脑子里冒出了一个大胆的猜想：绿豌豆的特征并没有消失，它只是被暂时隐藏了起来。于是，他把杂交豌豆看似消失的特征叫“隐性特征”，而它外显出来的特征叫“显性特征”。

为了验证这个猜想，第二年，孟德尔又拿第一代杂交豌豆做试验，交配了株豌豆花。几个月后，他收获了多颗杂交二代的豌豆。令他惊喜的是，这一次，绿豌豆又出现了！这就证明，他关于隐性特征猜想是对的。绿豌豆的特征并没有失，它一直都在！

更有趣的是，孟德尔还发现了一个规律。当第一代黄绿杂交豌豆在进行第二轮杂交后，黄绿豌豆的比例总是3:1。在接下来的8年里，孟德尔进行了多次豌豆杂交试验。而每一次黄绿豌豆的比例，都是3:1。

孟德尔的豌豆杂交试验证明，遗传信息是通过“颗粒”的形式遗传给后代的。生物每次交配，就意味着这些颗粒的重新组合。

孟德尔把携带遗传信息的颗粒叫“遗传因子”。到了20世纪，颗粒遗传理论得到了生物学界的认可。不过，生物学家们将遗传因子改名为“基因”。

03DNA闪亮登场

基因学成了生物学领域里的香饽饽。但新问题来了：基因里的什么东西具有遗传能力呢？

不久，美国生物学家埃弗里找到了答案。一次，埃弗里在煮沸的细菌里，发现了一种透明纤维。这种纤维能将表皮粗糙的细菌，变成表皮光滑的的细菌。而这种纤维就是化学分子DNA。不久，生物学家摩尔根、赫尔和蔡斯等人，也用不同方法多次证明，DNA就是遗传物质！

从此，DNA代替了泛生子理论正式登上了生物学的舞台。现在人们终于明白了，DNA携带着遗传信息，进入后代的基因中，于此形成丰富多彩的生命。

但当时也有生物学家认为，DNA的链条太细，不太可能承载太多的遗传信息。因此，DNA不是遗传物质。

那么，DNA究竟是不是遗传物质呢？正当生物学家们为此争执不下时，DNA研究迎来了重大转机。年，生物学家沃森和克里克在《自然》上发表了一篇论文，论文震撼了生物学界。论文里，首次展示了DNA双螺旋结构模型。正是这个模型，打破了DNA研究的瓶颈。

DNA双螺旋结构模型酷似麻花。DNA有两条主链，一条叫脱氧核糖，另一条叫磷酸基，这两条基因链通过酯键交替连接而成。凭借DNA双螺旋结构模型的重大发现，沃森和克里克获得了年的诺贝尔生物学奖。

至此，“生命是怎么繁衍的”这道谜题，终于被生物学家解开。人类在自我生命认知的路上，迈出了艰难而辉煌的一步。

04基因治疗的光辉史

每个人都会生病，所有疾病都和基因有着千丝万缕的关系。

艾滋病是世界医学界的第一大难题。在过去的几十年里，艾滋病夺去了多万人的生命。然而，世界上有1%的白人永远都不会得艾滋病。因为他们的基因天生就对艾滋病有免疫力！这个现象启发了生物医学界，生物学家和医学家们不约而同地想到一个主意：人类能不能通过改变自身基因，来预防疾病呢？于是，很快就有人开始尝试基因治疗了。而这场实验的结果，也给人们带来了惊喜。

年，德国人布朗被确诊为艾滋病，不久他又患上了白血病。面对布朗的复杂病情，他的主治医生修特提出了一箭双雕的治疗方案。

这个方案的原理有些像以毒攻毒：先把布朗体内带有艾滋病毒的细胞全部清除掉，再让布朗接受CCR5基因变异者的骨髓移植。几经波折后，奇迹出现了，布朗痊愈了。迄今为止，他是全球唯一一个艾滋病康复者。

布朗的案例让基因治疗世界闻名。基因治疗通过精确地修改人体内的DNA序列，就能杜绝很多疾病的源头。20世纪90年代，美国的监管机构批准了开展基因治疗的实验。

很快，就出现了第一个吃螃蟹的人。年，美国医生安德森为小女孩德希尔瓦实施了基因治疗手术。德希尔瓦从出生起，就饱受耳道感染、肺部感染和鼻腔感染等多种疾病折磨，4岁的她看起来就像两岁。

在治疗中，安德森先从德希尔瓦的体内抽取大量血液，并提取其中的白细胞，再将功能正常的腺苷脱氨酶导入这些细胞中，最后把经过基因改造后的白细胞重新输回德希尔瓦体内。手术后，德希尔瓦逐渐恢复了健康，之前的病症全都消失了！这次基因治疗的巨大成功，为安德森赢得了“基因治疗之父”的美名。

05监管不严，是基因事故的主要原因

德希尔瓦之后，基因治疗在世界各地呈全面开花之势。许多人都相信，基因治疗时代到来了。然而，正当病人们奔走相告时，基因治疗却出现了度逆转。原来，由于人们急功近利的心态，导致手术操作不规范，有超过例基因治疗手术以失败告终。

第一例基因治疗失败的手术发生在年。当时，男孩基辛格在基因治疗手术中不幸去世，这起事故震惊了世界。基辛格的死，浇灭了人们对基因治疗的狂热，也让生物学家如梦初醒。于是，他们开始反思，问题到底出在哪里。后来他们发现，一个重要事实被忽略了——当病毒入侵人体以后，人体会对病毒会做出什么反应。

一些人因病去世，我们总以为是病毒要了他们的命。其实并非如此。许多疾病之所以能致命，是因为人体免疫系统对病毒的抵抗太过强烈，病人受不了这种内耗，所以才会死亡。

如果把入侵病毒和免疫细胞放在显微镜下来观察，你就会发现，基因治疗简直就像世界大战。当病毒入侵人体后，人体免疫系统将会立刻做出反应。在短时间内，将有大量免疫细胞聚集到被感染的部位，并对入侵病毒形成围剿之势。想象一下，人体就是战场，病毒和免疫细胞就是作战的双方。在大多数情况下，两军交战的结局都是“伤敌一千，自损八百”。病毒和免疫细胞的战斗太激烈，病人身体无法承受，导致最终去世。

基辛格的悲剧发生后，各国都叫停了基因治疗手术。就在公众对基因治疗陷入绝望时，生物学家们依旧顶着压力，继续前行。随着基因治疗技术的不断完善，年，有多例基因治手术全世界同时展开。基因治疗再次吸引了全世界的目光，这也让饱受遗传病折磨的病人再次看到了希望。

06基因编辑的“三要素”

年11月，中国某大学的一位副教授宣称，一对经过基因编辑的双胞胎女婴已在中国成功诞生，这对双胞胎天生就能抵御艾滋病病毒。消息一经曝光，立刻成为全球热点。于是，基因编辑的概念再次走进大众视野。

基因编辑的意思是，通过类似外科手术的操作，精准地增加、修改或删除出现遗传变异的DNA片段，从根本上杜绝遗传病的产生。

打个比方，传统的基因治疗就像危房改造，它要用加固方式延长房屋寿命；而基因编辑就像是文物保护工程，它要修旧如旧，目的是恢复文物的原有样貌。

要实现对基因的精确编辑，就要严格遵循基因编辑的流程。基因编辑分三步走。第一步是，精准定位遗传缺陷的基因组；第二步是，将错误片段剪下；第三步是，用正确片段替代错误基因组。这个步骤听上去就像word文档里剪切、复制、粘贴一样简单，而实际上，它们一点都不简单。

基因编辑有三个要素：精准定位、剪刀、手术线。然而，人体细胞实在太小，肉眼根本无法看到。那么怎么进行基因编辑呢？

说来也巧，就在这时，生物学家发现了锌手指蛋白。锌手指蛋白又称“黄金手指”。它类似于GPS，能实现精确定位。同时，锌手指蛋白含9个锌手指，这些手指既相互独立，又能彼此配合。这就为实现基因编辑创造力有利条件。难怪有人说，锌手指蛋白是整个基因编辑的基石。有了锌手指蛋白，人类才能拿稳上帝的手术刀，确保不失手。

现在，对于基因编辑而言，已经有了GPS，那剪刀和针线又该去哪儿找呢？功夫不负有心人，年，美国生物学家钱德拉塞格兰通过实验，将锌手指蛋白和FokI剪刀凑在了一起。他用FokI剪切模块的一端，连上三个锌手指结构。这样，就能让FokI去切割不同的DNA序列。FokI是核酸内切酶分子，它具有剪切功能，将它的一端连上三个锌手指结构，就能让FokI去切割不同的DNA序列。这么一来，FokI就充当了基因编辑里的剪刀。

三要素里已经具备了两个要素，如果再找到基因组针线，就能进行基因编辑了。值得庆幸的是，基因组DNA里自带天然的针线。这种基因组针线的专业术语，叫“DNA修复机制”。

至此，基因编辑所需的三要素已全部齐备，分别是：锌手指蛋白组合、FokI剪切模块、基因DNA修复机制。

07CRISPR/CAS9技术，即上帝的手术刀

21世纪初，生物学家发现，有一种叫黄单胞菌的细菌，黄单胞菌能够在不同的植物细胞中，起到调节蛋白质合成的作用。于是大家把这类能起到调节蛋白质合成作用的基因，叫“神话”。

这时，基因编辑领域出现了一项重大技术革新。德国细菌学家伯纳斯的一项发现，让基因编辑有了质的飞越。

年，伯纳斯通过实验室证明，“神话”蛋白是可以被编辑的。通过删减、添加和自由组合不同的“神话”蛋白，能很轻松地定位任意长度、任意序列的DNA片段。

从“神话”蛋白的工作原理可以看出，“神话”手指和DNA是一一对应的关系。每一段“神话”蛋白只对应一个DNA。可编辑这个特性，真正打开了基因编程时代的大门。

然而，还没等“神话”风光多久，年，基因编辑领域又发生了新的技术革命。这一次，抢“神话”风头的物质，叫“成簇的规律间隔的短回文重复序列”。它的简称是“CRISPR/CAS9”。CRISPR/CAS9技术能把基因编辑的工作量缩减到原来的1/！

还记得一开始提到的上帝和手术刀关系吗？现在到揭晓谜底的时间了，CRISPR/CAS9技术就是上帝的那把手术刀，利用CRISPR/CAS9技术，人类可以实现基因编辑，从病源上彻底消灭遗传病。

CRISP技术被视为是继年DNA双螺旋结构被发现以来，最重要的生物学突破。然而，CRISP技术并非完美无缺，它也有可能会切错对象。

面对基因编辑技术，人类一直怀着矛盾的心态。一方面基因编辑技术实在太好，它能为拯救无数人的生命；另一方面，它也存在很多隐患。比如，如果这项技术被滥用，会制造出大量的怪胎吗？它一旦被商业化，贫富差距会不会更大？

正是基于这些担忧，年，国际顶级学术杂志《自然》和《科学》相继发文，提醒生物医学界要慎用基因编辑技术，同时建议立刻停止一切基因编辑实验。然而两年后，美国国家科学院又发布了《人类基因组编辑：科学、伦理和管理》的报告。报告提出，在严格的监管和风险评估下，人类可以用基因编辑技术来改造人类胚胎。这标志着基因编辑时代的全面来临。

08人类探索基因奥秘的历史，正是人类进行自我探索的历程。

《上帝的手术刀》展现了一部波澜壮阔的基因发展史，也让我们了解了基因编辑的现状以及未来。

回溯基因编辑的历史，我们不难发现，经过一代代科学家的不懈努力，人类在基因研究方面已经取得丰硕的成果。但是，我们对遗传信息的理解仍很肤浅，目前基因编辑技术也尚未成熟，还存在很多风险。比如，应该如何把握基因编辑的尺度？怎么才能保证不滥用基因编辑技术？等等。

本书作者王立铭说：“技术也许是中性的，但是技术的应用却可能创造一个魔鬼出没的世界。”最终基因编辑会将把人类赶上毁灭之路，还是带我们奔向光明大道，现在下结论还为时过早。如何在利用好基因编辑的同时，又能用严格的手段监管好它。这，才是我们人类此刻亟待深思的问题。